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以燃料電池結合太陽能的分散式能源網路架構

2020-08-17

周哲平 博士候選人

國立清華大學科技管理研究所


近十多年來,由於太陽能光電技術的進步與生產成本的降低,人類已經可以快速從太陽光獲取珍貴的電能[1],相較傳統的化石燃料透過火力發電過程,需要透過耗時的挖掘與提煉再透過複雜的物流系統送至發電廠,輾轉再輸配到各用戶端,我們更能夠以更經濟的方式從太陽能板上經過短暫的時間取得電能,驅動家裡的電冰箱和電視。再生能源的普及化將大幅改善人類獲取能源的效率,我們也面臨著從集中到分散的能源供給模式的轉變。這種由下往上的創新推力,政府也意識到要制定相關政策來協助轉型。

圖1 台電各種能源發電比例(2018),以及2014-2018年的各種能源發電量變化。

政府的能源結構轉型

我國政府自2016年開始大力推行能源轉型政策,以藉此發展綠色能源相關產業[2],包括訂定了2025年目標:太陽能裝置發電量達20GW以及風力發電達6.7GW[3&4],結合既有的水力發電設備,屆時再生能源裝置容量將達到27.4GW(如果離岸風力發電廠裝置進度順利,甚至更高可達29.9GW)及再生能源發電量佔比達20%(約等於400-500億度電來自再生能源)。依據能源教育資源中心的專家專欄報告--「電力系統運轉與再生能源並網的影響」[3],研究人員已指幾個出未來將面對的潛在問題,包括再生能源的不穩定性對電網的衝擊,如何從中央調度分配各區域所需的電力,避免傳統機組因為負載過大跳機,如何將高容量的再生能源穩定地併入台電的電力系統等問題。該報告指出,依據政府所訂定之時間表,在2025年,台灣的27.4GW再生能源發電裝置容量將會占整體發電裝置容量達37.5%,當再生能源因天候變化如雲遮時,不穩定的發電特性就會影響到電網,除了以儲能系統做為緩衝、需量反應管理及市場競爭的差異電價方式外,我認為建立分佈式的高效率燃料電池發電系統輔助太陽能與風力發電的不穩定性也是一種更可控的方案。

由下述(資料參考處)三個來自台電的公開資料以及上述圖1的各能源比例可以看出,儘管再生能源裝置容量比例已從2014年的3.8GW提升到2018年的5.7GW,太陽能與風力發電量加起來仍不達水力發電量,水力發電屬於較可控的能源,目前台電的主要供電來源仍來自中央的火力發電設備。過去四年來,成長最多的發電量主要仍來自天然氣的200億度以及燃煤80億度。再生能源發電裝置從2014年到2018年增加了1940MW,火力發電的裝置(綜合天然氣、燃煤與燃油)也增加了2362MW發電裝置。代表再生能源發電設備在天候不佳的情況下,仍須依賴火力發電作為備源。當政府的能源政策正朝向分散式能源的架構時,以集中式的火力發電做備源可能已不是一個最好的方式。在我們相鄰的國家日本,在20年前就想開始規劃以燃料電池技術布局分佈式發電系統。

日本的Ene-farm分佈能源經驗

燃料電池的基本技術原理,可參考能源教育資源中心的專家專欄報告--「燃料電池近期發展」[5]。燃料電池的發電特性跟太陽能一樣是直接產出直流電,透過燃料電池這個轉換裝置,可以將氫氣與空氣反應產生的化學能直接轉換成電能,在透過串併聯設計可以產生不同電壓,且發電效率高達50%以上。由於燃料電池在發電過程中,跟太陽能板一樣是非常安靜的,唯一的噪音源是散熱系統上的風扇與供應空氣的鼓風機,屬於低噪音源,因此是一種可以做為kW等級的發電系統又同時具有高效率與低噪音的特性。副產物的熱與水都可以再回收利用,日本的Ene-farm技術已可做到95%的燃料利用效率[6],Ene-farm透過瓦斯公司提供的天然氣在系統內重組製成氫氣後,經過系統的燃料電池產生電與熱水,熱水儲存在家庭使用,電則可用在家電上,減少對市電的依賴,遇到停電時則轉換成緊急供電來源,統計至2018年初,已分布在23萬戶的家庭安裝使用[7],相當於161MW的發電裝置量,(報告也指出預期2019年的累積裝置量將達到30萬台)。由於燃料電池可以24小時不間斷發電,在2011年的日本311地震時,燃料電池也扮演了重要的緊急發電腳色,也促使更多日本家庭願意自行購買這樣的發電裝置。

正在進行的台灣示範實驗

經濟部能源局於2018年有推出燃料電池3500小時運轉的示範計畫,台灣一間燃料電池公司首先在一棟兩層樓的透天民宅搭建了7.2kW的太陽能板車棚,以27片太陽能板搭建成屋頂,作為前院的遮風避雨功用,這些太陽能板經串併聯後所產生的直流電壓範圍在250~600Vdc之間,搭配獨立併網逆變器可將直流電轉換成220Vac的交流電,在民宅內也佈署了新的輸出插座與變壓器,在民宅內提供由太陽能發電輸出給電器產品使用。當沒有太陽能時,則將逆變器的輸入源就得切到台電端,轉由台電供電,這樣的情況下,一天大約有6到10個小時的電力是來自太陽能,但如果遇到雨天或陰天,則會有電力不足的情況,單靠太陽能板發電是不能完全獨立自主的。

接著該公司將一台4kW的高溫質子燃料電池系統,利用甲醇水作為燃料,經過一個重整器將甲醇水製成氫氣,在不經過提純條件下,直接送進高溫質子交換膜燃料電池內發電,產生的直流電經過升壓的整流裝置後,可以併入太陽能的直流電網,透過二極體保護裝置設計,使燃料電池發出的電與太陽能電力併聯,透過系統控制與電流輸出調節,當太陽能不穩定時,燃料電池就會產生多餘的電力補足,從2019年的六月,該燃料電池先是實驗了連續運轉了72小時不停止,在4kW的滿功率發電下,順利產生穩定的電力給民宅設備使用。接著則是持續3500小時運轉,截至2019年底以累積運轉2000多小時,結合太陽能板白天發電,燃料電池則補足太陽能的不穩的性,目前這棟民宅的電力需求以可達到100%獨立自主。

圖2 示範系統的側拍,包含了可替電動機車充電的功能,目前以慢充600W,電力供應來自太陽能與燃料電池。

圖3 整合太陽能發電與甲醇重整燃料電池的一個電力架構圖,並涵蓋了熱水回收與二次電池。在此系統架構上,台電仍可提供電力給民宅,但屬於備用的位置,太陽能與燃料電池則共同負責電力供應。

與日本的Ene-farm功能類似,他們也回收了系統產生的160oC廢熱,製造熱水供盥洗使用,使用甲醇水替代天然氣的主因是因為台灣的傳統透天民宅天然氣管路較不普及,甲醇水的儲存比桶裝液態天然氣更安全,運輸也更便宜,甲醇的能量密度高,每公斤可達5.3kWh,透過重組高溫燃料電池技術與儲熱回收,甲醇的燃料使用效率可以達到80%以上,燃料電池系統的淨發電效率也可達40%。

兩者結合後的優勢說明

傳統的太陽能發電系統,由於發電能力需要看天候因素決定,如果要能獨立供電需要設置大量的儲能電池,因此目前都以現發現售的方式賣給台電再分售出去,用戶大多時間仍須仰賴台電電網輸電,代表著台電仍需要蓋許多火力發電廠。由於燃料電池與太陽能電池都以直流電壓輸出的特行,可以透過升壓整流技術匹配兩者的電壓,燃料電池的電力輸出調度可彌補太陽能受天候影響的不易預測性,經過長期的連續運轉實驗,證實燃料電池發電的變動速度可配合太陽能發電間歇性特性,兩者都是易於安裝在偏遠地區的小型kW等級發電裝置,可實現獨立性高的分布式能源的架構,兩種發電單元可互相匹配並透過逆變器併至交流電網,補足台電由中央發電廠調度上的時間差異,達成微電網的運轉目標。在遇到天然災害時,也可穩定的提供緊急被源電力。

圖4 二月的一天的運轉數據圖表,顯示燃料電池發電於夜間與晚上時段可持續供電給民宅使用,太陽能則負責在白天先發電給負載或補充電池。

 

參考資料:

  1. John A. Mathews, Global Green Shift - When Ceres Meets Gaia, (2017).
  2. Justin Chou, John A. Mathews, Taiwan’s Green Energy Transition Under Way (2017)
  3. 王釿鋊,劉致峻,電力系統運轉與再生能源併網的影響,(2019)。
  4. 風力發電4年推動計畫,https://www.twtpo.org.tw/intro.aspx?id=9
  5. 曾重仁,燃料電池近期發展,(2018)。
  6. Panasonic,https://panasonic.biz/appliance/FC/
  7. Fuel cells works,FCW Exclusive: Tokyo Fuel Cell Expo 2019 – 300,000 Ene-Farms,https://fuelcellsworks.com/news/fcw-exclusive-tokyo-fuel-cell-expo-2019-300000-ene-farms/,(2019)

附錄 (資料來源: 台灣電力公司網頁公開統計資料)

表一:台電的發電量結構比例與各能源的發電量變化 (單位: %, 億度電)

 

再生能源

抽蓄

汽電

燃油

然氣

燃煤

核能

總發電量

2014

4.0%

87.7億

1.4%

30.7億

3.2%

70.2億

2.8%

61.4億

32.3%

708.1億

37.7%

826.5億

18.6%

407.8億

2192.3 億度(TWh)

2016

5.1%

115.2億

1.5%

33.9億

2.6%

58.7億

4.4%

99.4億

36%

812.9億

36.9%

833.2億

13.5%

304.8億

2258.0

億度

2018

4.9%

114.3億

1.4%

32.7億

2.0%

46.7億

2.8%

65.3億

38.6%

900.4億

38.8%

905.1億

11.4%

265.9億

2332.8

億度

 

表二:台電的發電裝置結構比例與發電建置量變化 (單位: %, GW)

 

再生能源*

抽蓄

汽電

燃油

然氣

燃煤

核能

總裝置量

2014

9.3%

3.793

6.4%

2.610

外購

8.2%

3.345

37.4%

15.254

26.2%

10.686

12.6%

5.139

40.787

GW

2016

10.3%

4.340

6.2%

2.612

外購

7.9%

3.328

36.2%

15.252

27.3%

11.502

12.2%

5.140

42.132

GW

2018

12.9%

5.742

5.8%

2.582

外購

5.8%

2.582

35.9%

15.979

29.4%

13.086

10.1%

4.495

44.509

GW

*再生能源包含水力及汽電共生之沼氣與垃圾發電

 

表三:再生能源發電量比例與總量變化 (單位: %, 度電)

 

水力發電

垃圾沼氣

風力

太陽能

生質能

2014 (4%)

2%

43.9億度

1.1%

24.1億度

0.7%

15億度

0.2%

4.4億度

0%

0億度

2016 (5.1%)

2.9%

65.5億度

1.1%

24.8億度

0.6%

13.5億度

0.5%

11.3億度

0%

0億度

2018 (4.9%)

1.9%

44.3億度

1.1%

25.7億度

0.7%

16.3億度

1.1%

25.7億度

0%

0億度

 
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