国際航業株式会社カーボンニュートラル推進部デジタルエネルギーG

樋口 悟（著者情報はこちら ）

国際航業 カーボンニュートラル推進部デジタルエネルギーG。国内700社以上・シェアNo.1のエネルギー診断B2B SaaS・APIサービス「エネがえる」（太陽光・蓄電池・オール電化・EV・V2Hの経済効果シミュレータ）のBizDev管掌。AI蓄電池充放電最適制御システムなどデジタル×エネルギー領域の事業開発が主要領域。東京都（日経新聞社）の太陽光普及関連イベント登壇などセミナー・イベント登壇も多数。太陽光・蓄電池・EV/V2H経済効果シミュレーションのエキスパート。お仕事・提携・取材・登壇のご相談はお気軽に（070-3669-8761 / satoru_higuchi@kk-grp.jp）

蓄電池の歴史を学ぶ教科書ブログ（蓄電技術と蓄電効率）

【第0章】はじめに 〜なぜいま蓄電の歴史を学ぶべきか〜

0-1. 「蓄電」はエネルギー革命の隠れた主役である

世界のエネルギー地図が再エネ中心に塗り替わろうとしているいま、
実は発電量だけ増やしても未来は変わらない。

• 太陽は夜には輝かない。

• 風はいつも吹くわけではない。

• 需要は季節や時間で激しく変動する。

この**時間的不一致（Temporal Mismatch）**を解決する唯一の手段こそ、
「エネルギーを貯める」= 蓄電なのである。

にもかかわらず、
発電技術は称賛され、蓄電技術は影に隠れがちだった。

• なぜなら、蓄電は「直接の見返り」がわかりにくいから。

• なぜなら、蓄電は「無駄を減らす技術」であり、直接の生産物がないから。

しかし本当に未来を変えるのは、
裏方で時間を司る「蓄電」というアーキテクチャである。

0-2. この教科書が目指すもの

本書は単なる技術カタログではない。

「エネルギー×時間」を制御するために、
人類がどれだけ試行錯誤し、どれだけ挑戦してきたか。
そしてこれから、どこへ向かうのか。

これを、体系的かつ超実用的に解き明かす。

• エネルギー業界のプロフェッショナルには、
  世界標準の知識と未来戦略のヒントを。

• 蓄電池購入を検討する個人には、
  選び方・使い方の裏にある深い洞察を。

• 政策立案者・経営者層には、
  蓄電を軸にした持続可能な成長の設計図を。

本書は、
あなたが未来を切り拓くための羅針盤となるだろう。

0-3. 読み進め方のガイドライン

• 歴史の流れを物語のように追う
  → どこで何がブレイクスルーだったかが鮮明にわかる。

• 現在地と未来をリンクさせる
  → 技術だけでなく、社会インパクトまで立体的に理解できる。

• 随所に“実務的ポイント”を設置
  → 購入・設計・投資・政策決定に役立つ視点を織り交ぜる。

▶️ あなた自身が「蓄電の未来」の担い手になるために。

【第1章】蓄電の起源――古代から19世紀の未完の夢たち

1-2. レイデン瓶：静電気を“ためる”最初のチャレンジ（1745年）

18世紀中葉、オランダ・レイデン大学の研究者たちは、
ガラス瓶の内外に金属箔を貼り付け、内部に水や導電性液体を満たすことで、
静電気を蓄えるシステムを生み出した。これがレイデン瓶である。

• 構造

  • 外部と内部に金属（通常は金属箔）

  • 絶縁材（ガラス）

  • 導体（中心棒）

放電すると、「パチッ！」という音とともに火花が飛び、強烈なショックを与える。

■ レイデン瓶の技術的意義

• 静電エネルギーを蓄えるコンデンサの原型となった。

• 蓄電＝単なる現象ではなく、設計可能な工学対象であると人類に教えた。

• 瞬時放電型であり、持続的な電力供給は困難だった。 （＝RTEという概念以前の世界）

▶️ 関連出典：Britannica: Leyden Jar

1-3. 都市を動かした空気：19世紀の圧縮空気ネットワーク

産業革命とともに、エネルギー輸送へのニーズが爆発した。
しかし、当時はまだ「電気」というメディアが未発達だった。

そこで登場したのが、
「空気をエネルギーキャリアとして使う」という発想である。

■ 圧縮空気による都市インフラの構築

• パリ（1870年代）、バーミンガム、ブエノスアイレスなど。

• 中央コンプレッサーから高圧空気を都市中に配管。

• 家庭や工場に空気圧動力を供給。

• ドリル、縫製機械、歯科機器、印刷機などで使用。

■ エネルギーシステムとしての限界

• 空気の断熱膨張による効率低下（膨張冷却問題）。

• 配管ロス（漏洩）によるエネルギー損失。

• 遠距離伝送に不向き。

しかしこれらの試みは、
「エネルギーを貯め、運び、制御する」という概念の拡張をもたらした。
そして後に続く圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）技術への布石となったのである。

▶️ 関連出典：Compressed Air Society History

1-4. 鉛蓄電池の胎動（1859年）

19世紀半ば、エネルギー史に革命的発明が現れる。
ガストン・プランテ（Gaston Planté）による鉛蓄電池（Lead-Acid Battery）だ。

■ 技術の核心

• 鉛（Pb）と鉛酸化物（PbO₂）を電極に使用。

• 希硫酸（H₂SO₄）を電解液とする。

• 充放電を可逆的に繰り返せる。

• サイクル劣化に比較的強い。

当初のラウンドトリップ効率（RTE）は70-80%。
現代改良型では85%以上にも達する。

▶️ 関連出典：Electropaedia: Lead-Acid Batteries

【第1章まとめ】

第2章 水と空気で蓄える挑戦 ― 揚水と圧縮空気の夜明け

2-1. 揚水発電（Pumped Storage Hydropower：PSH）の誕生

■ 世界初の揚水発電所 ― 1907年スイス・エンゲヴァイア（Engeweiher）

20世紀初頭、スイスの電力事業者たちは画期的な発想を実現した。

「電気が余ったら水を高い場所にくみ上げ、電気が足りない時にその水を落として発電する」

これが、世界初の商用揚水発電所、エンゲヴァイアPSHだ（1907年稼働）。

• 技術構成：

  • 上池と下池

  • ポンプ兼水車（初期型は単機能だった）

• 初期効率（RTE）：

  • 約60-65％

▶️ 関連出典：IEA Hydropower Technology Brief

このシステムは、「時間を越えて電力を保存する」という概念を実用化した最初の大規模技術である。
しかも、巨大な水質変化や材料劣化を伴わず、数十年にわたってサイクルを繰り返すことができた。

2-2. 揚水発電の進化

• 1930年代：可逆ポンプ水車（reversible pump-turbine）の登場
  → これにより、ポンプと水車を同じ機械で兼用でき、設備費が大幅削減された。

• 1970年代：可変速機能（variable-speed technology）導入
  → これにより、負荷追従性（出力のきめ細かな制御能力）が飛躍的に向上。
  → 風力・太陽光といった変動電源に合わせた運用が可能に。

• 現在（2020年代）：最適サイトではRTE 80〜85％を達成
  （例：日本・神奈川県の奥多摩湖周辺の大規模揚水発電所群）

▶️ 関連出典：IEA World Energy Outlook 2021 Hydropower Analysis

2-3. 圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）の挑戦

■ 世界初の実用化 ― 1978年ドイツ・ハントルフ（Huntorf CAES）

水を使う揚水が地形制約を受けるのに対して、
「空気を地下洞窟に貯めて使おう」というアイデアが1970年代に現実となった。

• 場所：ドイツ・ハントルフ

• 出力：290MW

• 技術概要：

  • 余剰電力で空気を圧縮し、岩塩層の地下洞窟に貯蔵。

  • 放電時にタービンで膨張させ、電力を回収。

• 初期ラウンドトリップ効率（RTE）：

  • わずか42％。

▶️ 関連出典：Huntorf CAES Analysis (Energy Storage Association)

■ CAESの限界と進化への布石

ハントルフ型CAESには明確な限界があった。

• 圧縮時に発生する熱エネルギーがほとんど捨てられていた。

• 放電時には追加で天然ガス燃焼による再加熱が必要だった。

つまり、完全な「蓄電」システムとは言えなかったのである。

この課題に対して、

• アディアバティックCAES（AA-CAES）：圧縮時の熱を蓄えて放電時に再利用

• アイソサーマルCAES（IT-CAES）：低温でゆっくり圧縮することで熱損失を減らす

などの技術革新が進められ、
2020年代にはRTE 60-70％を超えるシステムが開発中である。

▶️ 関連出典：Sandia National Laboratories – CAES Advancements

2-4. 揚水とCAESの比較

【第2章まとめ】

揚水発電と圧縮空気蓄電は、
いずれも「電気を直接貯めずにエネルギーを貯める」という大胆な発想のもとに発展した。

そしてこの2つが、
21世紀に登場する多種多様な蓄電技術群の祖型となったのである。

第3章 電池の時代 ― 鉛蓄電池からリチウムイオンへの進化

3-1. 鉛蓄電池 ― 産業用蓄電の原点

1859年、ガストン・プランテによって発明された鉛蓄電池。
この技術は、20世紀を通してあらゆる場所で使われることになる。

• 化学反応式

  • 放電時：Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O

• 特徴

  • 安価

  • 高い耐久性

  • 再充電可能

• ラウンドトリップ効率（RTE）

  • 70-80%

▶️ 関連出典：Battery University: Lead Acid Batteries

■ 自動車・産業用途への拡大

20世紀初頭、
エンジンスターターとして電動モーターを駆動するために鉛蓄電池が採用された。
さらに、鉄道信号用、無線局バックアップ、病院非常用電源などにも広く普及。

鉛蓄電池は、「人類初の本格的なエネルギー・タイムマシン」となった。

3-2. ニカド電池（Ni-Cd）とニッケル水素電池（Ni-MH）

20世紀中盤、
鉛蓄電池よりも軽く、耐寒性にも優れる電池が求められた。

その回答がニカド電池（Ni-Cd）（発明：ヴァルデマー・ユングナー、1899年）だった。

• 特徴

  • 高放電能力

  • 耐衝撃性

• 課題

  • カドミウムの毒性

• RTE

  • 約70%

▶️ 関連出典：Encyclopedia Britannica: Nickel-Cadmium Battery

さらに、1990年代には、カドミウムを使わないニッケル水素電池（Ni-MH）が普及。

• トヨタ・プリウス初代（1997年）はNi-MHバッテリー搭載。

• 小型家電、ハイブリッド車に広く使われる。

3-3. リチウムイオン電池革命（1991年〜）

■ ソニーと旭化成の快挙

1991年、ソニーと旭化成が世界初の商用リチウムイオン電池（Li-ion）を発売。
これがすべてを変えた。

• 負極：グラファイト（炭素系）

• 正極：リチウムコバルト酸化物（LiCoO₂）

• 電解液：有機溶媒ベース

最大の特徴は圧倒的なエネルギー密度：

• 重量エネルギー密度

  • 鉛蓄電池の約4倍

• 体積エネルギー密度

  • 鉛蓄電池の約3倍

• ラウンドトリップ効率（RTE）

  • 90-95％

▶️ 関連出典：Sony Press Release: Lithium-ion Battery Commercialization

■ リチウムイオンの社会インパクト

• 携帯電話革命（Nokia、Motorolaなど）

• ノートパソコン革命（IBM ThinkPad）

• スマートフォン時代の土台形成

• 電気自動車（EV）への本格展開

リチウムイオン電池は、「持ち運びできるデジタル社会」を支えた隠れた心臓部だった。

3-4. リチウムイオンの課題と技術革新

しかしリチウムイオンにも課題はあった。

近年の革新例：

• テスラ×パナソニックによる「4680セル」（高密度・高速充電）

• CATL（寧徳時代）の「ナトリウムイオン電池」（2024年量産開始予定）▶️CATL sodium-ion

【第3章まとめ】

第4章 多様化する蓄電世界 ― 21世紀のケミカル＆メカニカル革命

4-1. ケミカル蓄電技術の新潮流

■ バナジウムレドックスフロー電池（VRFB）

1990年代後半から実用化が進んだ、フロー型蓄電システム。

• 原理：
  バナジウムイオンの酸化還元反応を利用し、2つのタンク間で電解液を循環させる。

• 特徴：

  • エネルギー容量はタンクサイズ次第

  • 超長寿命（10,000サイクル以上）

• RTE（ラウンドトリップ効率）：

  • 65-75%

▶️ 関連出典：US Department of Energy: Flow Batteries

用途拡大例：

• 大型再エネ発電所のバッファ

• 島嶼電力系統の安定化

■ 鉄空気電池（Iron-Air Battery）

Form Energy（米国）が2024年にウェストバージニア州で初期稼働を開始した長時間蓄電技術。

• 反応式：

  • Fe ↔ Fe(OH)₂

• 特徴：

  • 数十時間（100h級）の放電能力

  • 原料が豊富で安価

• RTE：

  • 60-70%

• コストターゲット：

  • 20ドル/kWh以下

▶️ 関連出典：Form Energy Iron-Air Batteries

これにより、「風が吹かない数日間」も再エネ主体で電力を供給する社会が視野に入った。

■ ナトリウムイオン電池（Na-ion）

世界最大の電池メーカーCATL（中国）が2024年から本格量産。

• 特徴：

  • リチウムの代替資源

  • 寒冷地適応（-20°C以下でも放電可能）

  • 低コスト（Li-ion比20-30％低い）

• RTE：

  • 80-85%

▶️ 関連出典：CATL Sodium-ion Press Release

注目点：

• 電動二輪車、電力網用蓄電でまず普及

• 中長期的には住宅用ESS（エネルギー貯蔵システム）市場にも本格参入予想

4-2. メカニカル蓄電技術の革新

■ 重力エネルギー貯蔵（Gravitational Storage）

Energy Vault（スイス/米国）が提案。

• 原理：
  クレーンで巨大なコンクリートブロック（30トン）を積み上げて位置エネルギーを蓄積。

• 特徴：

  • 長寿命（30年以上）

  • 使用資源が安価

• RTE：

  • 80%以上

▶️ 関連出典：Energy Vault Technology Overview

驚異の事例：

• ブロック積み上げ時の再現性・効率最適化にAI制御を導入。

■ 液体空気エネルギー貯蔵（LAES）

Highview Power（英国）が推進。

• 原理： 空気を-196°Cに冷却して液化し、膨張エネルギーで発電。

• 特徴：

  • 地形制約なし

  • モジュール設計で拡張性高い

• RTE：

  • 50-70%

▶️ 関連出典：Highview Power LAES Technology

活用分野：

• 大都市圏近郊の再エネ蓄電・系統安定化

■ 熱エネルギー蓄電（Heat Batteries）

◎ Rondo Energy（米国）

• 廃熱・再エネ電力で炭素ブロックを1000°C超に加熱。

• 必要時に高温熱として供給。

• 熱変換効率（Thermal RTE）：

  • 95-98%

▶️ 関連出典：Rondo Heat Batteries Overview

◎ Antora Energy（米国）

• 固体炭素ブロックを使い、熱を電気に再変換可能。

■ モルトンシリコン蓄熱（1414 Degrees, 豪州）

• 原理： シリコン（融点1414°C）を溶かして蓄熱。

• 特徴：

  • 超高エネルギー密度

  • 廃棄物利用型燃料にも応用可能

• RTE：

  • 75-85%（熱直接利用時）

▶️ 関連出典：1414 Degrees Technology

【第4章まとめ】

第5章 ラウンドトリップ効率（RTE）の進化とブレイクスルー

5-1. RTEとは何か？ ― 蓄電の本質指標

RTE（Round-Trip Efficiency）とは、
「蓄えたエネルギーに対して、実際に回収できたエネルギーの割合」を示す指標である。

数式で表すと：

$$RTE = \frac{回収したエネルギー（kWh）}{投入したエネルギー（kWh）} \times 100$$

例：

• 100 kWh蓄えて、80 kWh取り出せたらRTE = 80%

• 逆に20%のエネルギーは損失している（熱、摩擦、電気抵抗など）

5-2. 歴史的なRTE進化タイムライン

以下は、主要な蓄電技術の登場年代順×RTE推移をまとめたものだ。

5-3. 技術カテゴリ別RTE考察

■ ケミカル系（電池）

• リチウムイオン → 90-95％

• ナトリウムイオン → 80-85％

• VRFB → 65-75％

• 鉛蓄電池 → 75-85％

傾向：
高エネルギー密度と高効率を両立できるが、サイクル寿命・材料劣化リスクあり。

■ メカニカル系（重力・空気）

• 揚水発電 → 75-85％

• 重力蓄電 → 80％以上

• CAES → 60-70％

• LAES → 60-70％

傾向：
大規模化・長寿命化しやすいが、エネルギー密度は低め。

■ 熱エネルギー系

• 熱蓄電（炭素・レンガ） → 95-98％

• モルトンシリコン → 75-85％

傾向：
高効率かつ低コスト。ただし用途が熱供給中心に限られるケースも。

5-4. 近年のRTEブレイクスルー技術

◎ 固体電解質（Solid-State Battery）

• 課題：リチウム金属負極のデンドライト短絡

• 進展：セラミック系固体電解質で抑制、RTE95％超目指す。

▶️ 関連出典：QuantumScape Solid-State Battery Update

◎ AIバッテリー制御最適化（Battery OS）

• 劣化傾向をAI解析し、充電制御を最適化することで
  → 効率劣化を10〜15％低減

• ダイナミック充電プロトコル（Dynamic Charging Protocol）技術も登場。

▶️ 関連出典：BMS AI Optimization – IEEE Spectrum

5-5. RTEを超えて：実効コスト（LCOS）との関係

高RTE ≠ 最良選択肢
必ずしもRTEだけで技術の優劣は決まらない。

• 例えば、鉄空気電池（Fe-Air）はRTE 60-70％だが、
  kWhあたりコスト（LCOS）が非常に安く（$20-40/kWh）、
  長時間蓄電向けには最適解になりうる。

つまり、

$$最適解 = RTE \times LCOS \times 寿命 \times 社会要請$$

で決まる。

【第5章まとめ】

第6章 蓄電が社会を変える ― 政策、経済、脱炭素イノベーション

6-1. なぜ「蓄電」が社会変革の核心になるのか？

再エネ拡大による社会変化において、
「蓄電」は単なる裏方インフラではない。

それは、
“時間をコントロールできる”ことによって、社会システムそのものを再設計できる力
を持っているからだ。

具体的には：

• 発電と消費の時間的不一致問題を解決

• 電力価格の時間変動（デマンドレスポンス）を平滑化

• 電力の地産地消型社会（分散型エネルギー社会）を実現

• 災害・停電リスクを大幅に低減

• 脱炭素経済圏（カーボンニュートラル社会）を推進

▶️ 関連出典：IEA – Energy Storage and Net Zero

6-2. 政策ドライバー ― 世界と日本の動き

■ 世界

• 米国（IRA法：Inflation Reduction Act 2022）
  → 大規模再エネ＋蓄電プロジェクトに最大30％税額控除

• EU（RePowerEU）
  → 2030年までに全蓄電容量を3倍化目標

• 中国（国家蓄電推進政策2021）
  → 2030年までに非揚水型蓄電（主に電池）を30GW導入

■ 日本

• グリーントランスフォーメーション（GX）政策
  → 再エネ比率36〜38％目標（2030年）を支えるため、蓄電池市場拡大策を推進。

• 「住宅用蓄電池・V2H普及支援補助金」（経産省）
  → 個人レベルの蓄電設備導入促進。

• 再エネ特措法改正（2022年）
  → 非化石価値取引市場の整備と、
  → 再エネ＋蓄電セットでの価値取引を拡張。

▶️ 関連出典：資源エネルギー庁 – GX推進戦略

6-3. 蓄電市場の経済規模と成長性

■ 世界市場

• 2020年：50GWh

• 2023年：150GWh（前年比45％成長）

• 2030年予測：600GWh超／年

市場規模

• 約40兆円（2030年推計）

▶️ 関連出典：BloombergNEF Energy Storage Market Outlook 2024

■ 日本市場

• 現在：約2GWh/年規模

• 2030年目標：約24GWh/年（産業用＋住宅用）

特に、

• 住宅用蓄電池＋太陽光＋V2H連携が大きな成長ドライバーとなる。

• 中小企業向けBCP（事業継続計画）対策需要も拡大。

6-4. 蓄電と脱炭素イノベーションの連携

蓄電技術は、単独ではなく
次の要素と組み合わさることで、爆発的な脱炭素効果を生む。

6-5. エネルギー自治権の時代へ

最も根本的な変化は、
「エネルギーを自分で作り、自分で貯め、自由に使う」
というエネルギー自治権（Energy Autonomy）の普及である。

• 家庭用太陽光＋蓄電池

• 地域マイクログリッド＋ローカルESS

• 工場・物流施設の自家消費型ESS

これらの普及により、
「中央集権型エネルギー社会」から「分散・民主型エネルギー社会」へ
人類のエネルギー観が根本から変わろうとしている。

▶️ 関連出典：Rocky Mountain Institute – Energy Democracy

【第6章まとめ】

第7章 未来予測 ― 2030・2040年に向けた次世代蓄電シナリオ

7-1. 2030年、蓄電技術地図はこう変わる

2030年、世界と日本では、蓄電技術地図に大きな変化が起こる。

（注：LFP=リン酸鉄リチウム、NMC811=ニッケル主体、LMFP=マンガン入りLFP）

7-2. 2040年、エネルギーシステムはこう変わる

2040年、人類の電力システムそのものが、
「発電所中心型」から「エネルギーウェブ型」へと変貌する。

【未来図：分散・階層型エネルギー社会】

大型PSH / 原子力小型炉
     ↓
中規模VRFB / CAES
     ↓
地域マイクログリッド＋LAES＋Fe-Air
     ↓
家庭太陽光＋家庭蓄電＋V2H＋スマート充放電

特徴：

• 複数レイヤーで最適タイムスケールの蓄電を構成

• リアルタイムAI制御で需給マッチング

• 「余剰」概念の消失（すべて価値化）

• 電力自由市場と非化石価値市場の完全融合

▶️ 関連出典：World Economic Forum – Future of Energy Systems

7-3. 次世代注目技術トップ5

7-4. 世界と日本、それぞれのシナリオ分岐

■ 世界全体シナリオ

• 米国・中国・EUがリードし、長時間蓄電標準化

• 国境を越えたグリッド連携（スーパーネットワーク構想）が進展

■ 日本シナリオ

課題：

• 山間地が多く超大規模揚水が限られる

• 地震・津波リスクが高い

• 化石燃料依存脱却に遅れ

有望戦略：

▶️ 関連出典：経産省 – 2050年カーボンニュートラルに向けたエネルギー政策

【第7章まとめ】

付録A 主要蓄電技術比較表（RTE・コスト・寿命）

付録B 蓄電史年表（1900-2030）

付録C 用語集（初心者・専門家ダブル解説）

出典リンク集（本文内リンクまとめ）

• Smithsonian Magazine: Baghdad Battery

• Britannica: Leyden Jar

• Compressed Air Society History

• Electropaedia: Lead-Acid Batteries

• Battery University: Lead Acid Batteries

• Encyclopedia Britannica: Nickel-Cadmium Battery

• Sony Press Release: Lithium-ion Battery Commercialization

• IEA – Energy Storage and Net Zero

• IEA Hydropower Technology Brief

• Highview Power LAES Technology

• Energy Vault Technology Overview

• Form Energy Iron-Air Batteries

• CATL Sodium-ion Press Release

• Rondo Heat Batteries Overview

• World Economic Forum – Future of Energy Systems

• Rocky Mountain Institute – Energy Democracy

• QuantumScape Solid-State Battery Update

• BMS AI Optimization – IEEE Spectrum

• BloombergNEF Energy Storage Market Outlook 2024

• 資源エネルギー庁 – GX推進戦略

• 経産省 – 2050年カーボンニュートラルに向けたエネルギー政策