台灣電網級儲能系統發展之重要性

2019-06-27

胡毅 院長

大同大學工程學院


2017年8月初由於和平電廠電塔的倒塌,造成有電發得出卻送不出的困境,也讓台電亮起限電警戒紅燈。這次事件說明除了發電方式之外,電網的輸配送亦是供電穩定性的重要因素。台灣目前為集中式電網,早期為因應用電尖峰,提升的方式是建造更多、更大的發電廠,然而從台電公布的數據,可以清楚看出台灣長久以來電廠機組的平均使用率約在60%左右,扣掉設備機組歲修1個月,接近30% 的台灣電廠使用率,是用於解決尖峰用電而存在。而政府近年來積極推動能源轉型,積極推動再生能源的使用,以實現非核家園為未來能源的發展方向。由於再生能源的不穩定性,更加重了電網功能的重要性。將再生能源對電網的影響可分成兩個部分。一是經常性的狀況,例如夏日太陽光電變多,冬季風電會增加,這是可以預測並且可提前準備。二是突發變動性的情況,這是指極短時間內發電大幅度變動,例如突然的陰天或下雨,這便要靠臨時發電系統或儲能系統將來補助變動。能源轉型首應重視「能源安全」,因此要在逐步轉型中建構穩定、低風險之區域性能源供需體系。其落實的關鍵點在於有效的土地利用規劃、足夠併網的基礎電力設施以及足夠建置綠能的資金等。

圖1 土地利用的規劃:屏東林邊光彩濕地上建置的太陽光電

 

電網的成功是再生能源為能源轉型發展的關鍵,中國、日本與德國均已開始面臨電網的問題,包括資金需求高、電網容量不足而無法接受新併網、饋線分布不均或距離過長等問題。隨著越來越多的再生能源導入既有的電力系統,再生能源不穩定的輸出特性,對於既有電網的衝擊影響也逐漸被重視,如電壓閃爍、電壓變動、還有頻率變動等。傳統併網型再生能源電力調節器設計上採全實功輸出且輸出功率變化不受調控,當天候不穩定時(如烏雲遮蔽太陽光電板或風速瞬間下降),併網型再生能源輸出功率會出現快速上升(或下降),此功率變化時間單位可能為每秒、每分鐘、或每小時,當再生能源發電占比過高時,瞬間過大的實功變化注入饋線中,會造成電網頻率不穩定。

為消弭再生能源間歇性發電造成功率瞬間快速升降對電網的影響,必須將併網型再生能源電力調節器於責任併接點的輸出功率進行平滑化,然而再生能源本身的電力輸出流向為單方向(再生能源往電網注入),如要實現平滑化功能,必須仰賴允許電力可雙向流動的設備,因此導入並利用儲能系統可快速反應且可允許電力雙向流動的特性,協助再生能源實現平滑化功能,是目前國際上主要的趨勢。

未來期許在既有電力網中整合大型電網級儲能系統,除可減輕高低峰用電的差距並降低國家對集中式能源的依賴性。預期可達成:

  1. 經濟效益:利用區域內再生能源發電自產自用,並搭配電池儲能管理,有效降低購買外在市電,亦可達到完全不用外在市電,減少長距離輸電導致的能源損耗。
  2. 環保效益:降低購買外在市電可減少石化燃料發電所產生之CO2、NOx、SOx等廢氣排放量,不但減少空氣中有毒懸浮微粒等污染成份,更有助於減緩溫室效應。
  3. 節能效益:以再生能源替代傳統能源,提高自主能源及潔淨能源比例,確實達到節約能源目的。
  4. 社會效益:結合分散式電網系統特色與綠化環境共同宣導行銷與培育人才,達到教育宣導之目的。
  5. 可靠效益:在市電供電正常時,分散式電網可在區域內自主管理,有效減少再生能源對市電的衝擊,解決間歇的發電不確定性,並增加再生能源的占比率。在市電故障時,分散式電網可進行孤島運轉,仍可供電使用,減少對市電的依賴性,有助於提升供電可靠度。

圖2 104年8月蘇迪勒風災重創烏來,因為嚴重的天然災害讓烏來一度成為孤島,為了避免風災來臨無法聯繫的情況再發生,新北市經濟發展局的太陽光電計畫,由大同公司協助增設防災型太陽能發電,選擇在烏來區公所先測試,提供緊急用電,維持烏來指揮中心運作。

 

近年來用於併網的儲能技術正穩定發展,可用於電力系統的儲能裝置有鉛酸電池、液流電池、鋰電池、超級電容、氫儲能、飛輪、壓縮空氣儲能、超導磁場儲能、抽蓄水力儲能與燃料電池等。各式電池或儲能裝置因其壽命、能量密度、發電成本、輸出效率等因素影響其在未來的市場。未來當綠色能源如太陽光電及風力發電結合儲能系統,並可接受管理及調度時,即可與區域化能源管理系統結合,目的為整合分散型資源及可控制負載對電網執行最安全與最佳化之管理,其應用可結合區域分散式能源以及儲能設備等資源並搭配電價機制構成能源連結網之架構在未來的能源市場中進行交易,透過此能源管理技術的開發不僅有助於未來電力公司及相關產業發展能源整合外,對於我國發展智慧能源產業有正面之助益,藉此可以達到改善能源效率、提高電力品質等目的。此外,台灣除了鋰電池以外其他儲能技術均落後於國際間的發展,同時我國在儲能市場需求量遠小於歐美等先進國家,如何發展儲能技術與產業將對於台灣的能源轉型是否能夠成功至關重要。從規劃的再生能源建置方式與地點,以及現有能源科技產業優勢來看,台灣較適合發展能量密度較高的化學電池儲能系統,例如鋰電池、液流電池及新一代鉛酸電池等。我國從事鉛酸電池與鋰電池系統等產業發展已有相當的規模,不論在於上游的材料技術開發、中下游電池製造的以及模組包裝檢測方面,均有緊密的產業鏈連結及豐富之經驗與研發實力。因此基於電網應用需求的儲能技術發展方向,除了考慮國內儲能需求與使用型態外,更應該朝向推動國內儲能相關產業的發展,建立我國電網與儲能發展優勢與地位。

圖3 再生能源與電池儲電應用於智慧電網之示意圖