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臺灣電網級儲能技術現況與未來機會 [趨勢新知]
種類:其他公告  發布單位:技術處  發布日期:2019-05-08 09:30
作者:陳靖惠/金屬中心

全球能源轉型時代來臨,各國無不積極發展綠能政策,綠能科技更被視為未來經濟成長的趨動引擎;另一方面,全球氣候暖化逐年惡化,異常氣溫與極端氣候消息頻傳,聯合國IPCC強烈呼籲各國在2050年前盡量使用低碳排放能源發電,並積極尋找綠色替代能源。在經濟成長趨力與低碳排放壓力兩股力量的作用下,我國政府於105年通過5+2產業政策之一的「綠能科技產業創新方案」,並於「前瞻基礎建設計畫」中規劃綠能建設項目,期能加速我國綠能產業發展,以綠色內需吸引國外大型投資,增加優質就業機會,同時帶動綠能科技躍升,提升我國綠色能源自主率。

全球儲能技術類型與現況

1.機械儲能

機械儲能當中主要以抽蓄水力儲能(PHS)、壓縮空氣儲能(CAES)及飛輪儲能(FES)為主,其中抽蓄水力儲能(PHS)技術相當成熟的大型儲能系統,目前已具備商業化規模。PHS系統通常建置在兩個以上不同高度的蓄水庫(人工或天然),在用電離峰時段將水從低處蓄水庫打到高處蓄水庫,待用電尖峰時段再將高處蓄水庫的水釋放至低處蓄水庫,通過渦輪水力發電機進行發電,以平衡尖離峰極端的用電需求。

而壓縮空氣儲能(CAES)的原理是在用電離峰時將電能用於壓縮空氣,再將空氣高壓密封在廢棄礦井、沉降的海底儲氣罐、鹽洞、過期油氣井或儲氣井中,待用電尖峰時再釋放出壓縮空氣,經過加熱燃燒與渦輪膨脹等過程進行發電,雖然燃氣渦輪機運作仍然需要化石燃料助力,但是該技術是一種更高效、儲存容量也更大的儲能方式。

飛輪儲能(FES)是將電能以動能的形式儲存起來的一種技術,因此又稱為「動能電池」,其操作原理為,在飛輪系統在充電時,電流流經馬達驅動飛輪增加速度,藉由飛輪旋轉運動,將能量以動能 (旋轉) 的形式儲存電力;在放電時,則經由飛輪的旋轉帶動發電機產生電流,輸出供給負載。FES的特色是儲能密度高、功率大、效率高(80~90%)、壽命長且無汙染。

2.電化學儲能

由於電化學儲能系統較不受限於地理環境,因此現階段的儲能系統以此方面的技術為主,包含鉛酸電池、鋰電池、液流電池等;其中,鋰電池因具備體積小及能量密度高等特性,逐漸成為市場主流。

3.化學儲能

化學能源儲存技術主要是將氫氣(H2)及合成天然氣(SNG)作為二次能源載體,因上述物質具高能量密度以及可壓縮或液化儲存之特性,對於大量電能儲存有顯著的效果。其運作原理為,將電網過剩的電力經由電解水產製氫氣,將之作為能源載體,再以純氫或合成(替代)天然氣燃料形式使用。化學儲能的整體來回效率較低(20-40%),但相當適合用於儲存大量能源,甚至可達到TWh的等級,也可用於跨季節儲能。此外,氫氣和SNG作為能量載體,可應用於相當廣泛的領域,包含發電、電動車、加熱和化工業。

4.電力儲能

電力儲能以超級電容(Super Capacitor, SC)及超導磁儲能(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)為主。目前由於超級電容(SC)功率高、穩定佳且循環壽命長,在產業應用上也發展的相當穩定。

超導磁儲能(SMES)是利用超導線圈通過整流/逆變器,將電網過剩的能量以電磁能的形式儲存起來,需要時再通過整流/逆變器將能量回饋給電網或做其他的用途。超導材料在低於其臨界溫度下,結構中電子與晶格相互作用沒有能量的損失,完全不受晶格影響,因此電阻是零,傳輸電能時不會有電力損失,所以可做為發電廠與城市之間電力輸送之用。

5.熱能儲能

熱能儲能有三種主要類型,分別是熱泵儲能(PHES)、熔鹽儲能以及液態空氣儲能(LAES)。熱泵儲能是由兩個桶槽(通常是不鏽鋼)所組成,桶槽內填裝礦物顆粒與能壓縮與膨脹氣體的裝置,使用接近理想氣體的單原子氣體(如:氬氣)作為工作氣體,搭配充滿工作氣體的迴路連接至壓縮機與膨脹機,在增加/降低相同的壓力下,可加熱/冷卻較多的能量,有效降低儲能成本。熱泵儲能可達數分鐘或數十分鐘,屬於中型儲能系統,儲能成本相當低;目前熱泵儲能規模約為2-5MW。

熔鹽儲能是轉換效率相當好的一種儲能技術,利用兩個均為液態金屬的電極,將低密度液態金屬(如:鎂)至於頂端、高密度液態金屬(如:銻)至於底端,當電流通過時,鎂會失去兩個電子變成鎂離子,並進入電解質,接受兩個來自銻的電子,兩者形成合金;當電子進入外部迴路即會產生放電現象;反向輸入電流時,鎂從合金上脫離,返回上層電極,使電池回復初始狀態,達到充電的作用。然而,此系統需於700度高溫下操作,以保持液態金屬的工作狀態,是一大技術課題。

液態空氣儲能(LAES)的工作流體通常為液態空氣或液態氮氣,因此又稱為低溫儲能(Cryogenic Energy Storage, CES)。液態空氣儲能主要利用用電離峰時段時過剩的電能,驅動空氣液化機吸取周圍的空氣、產生液態空氣(700公升常溫空氣約可變成1公升液態空氣)。液態空氣被儲存於低壓絕熱的桶槽,當需要用電時,將液態空氣從儲存槽中以高壓的狀態輸出(溫度亦升至室溫),以此驅動發電機以產生電能。

結論與建議

臺灣目前在綠能產業的推動上,主要有四大主軸:(1)創能(如太陽能、離岸風電開發);(2)節能(如使用智慧電網、節能設備、汽電共生等);(3)儲能(如鋰電池、燃料電池、氫能等技術開發);(4)智慧系統整合(引進能源技術服務業(ESCO),推動節約能源)。現階段臺灣經濟部在創能產業(離岸風電產業與太陽能產業)推動上十分積極,然而,由於再生能源如太陽能和風力,幾乎都存在著發電量不穩定的問題,未來在離尖峰時間對於用電調節上的需求,儲能技術的發展勢必將會扮演相當重要的角色。從國際儲能的發展現況也不難發現,先進國家如美國、德國近年來相當積極推動儲能產業,並透過鼓勵性質的補貼政策以及電力政策,加速儲能技術與產業的發展。綜合前述,儲能技術的發展儼然是推動綠能產業不可或缺的一環,而臺灣該如何切入國際儲能產業供應鏈,亦或是尋找利基市場以建立自主儲能產業,是目前急需獲得解答的問題。此外,現階段臺灣廠商在儲能領域上,也並未有太多著墨,後續的佈局仍十分值得思考。

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更新日期:2020-04-28

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