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儲能系統在能源轉型扮演的角色與發展方向

2020-05-17

邱炳嶔 研究員

財團法人中技社


使用化石能源(Fossil fuel)造成二氧化碳大量排放是全球暖化主要原因之一。為了減緩全球暖化,以再生能源取代化石能源的「能源轉型」行動,隨著再生能源發電效率持續改善,逐漸得以落實。雖然使用再生能源可以減少環境負荷,但因為人類活動與經濟發展的需求,短期內難以完全取代化石能源。主要因素除了太陽能、風力發電成本目前仍高於化石能源之外,再生能源如太陽能及風力發電,都有間歇性發電的問題。根據台電資料顯示,每1 kW的太陽能板,一天內有效發電時間約為3至4小時,也就是可發出3至4度電,且白天在不同時刻的日照強度不同,若是大量電力併入電網,可能對於電力調度造成困難,若是雨天可能幾乎發不出電,影響更大。風力發電則是季節性的問題,以台灣海峽為例,冬天與夏天的風量差異甚大,冬天東北季風可提供較充沛風力,而夏天能提供的電力則較少。

 

以用電需求的角度來看,可參照圖1,家戶用電負載多集中於上午出門前及下班回家後,而太陽能發電集中卻是集中在上午七時至下午五時,發電與用電負載無法平衡,此為太陽能發電之間歇性問題。為了解決再生能源隨天候與季節造成的間歇性問題,再生能源發電系統與儲能系統(Energy Storage System)互相搭配,將白天獲得的電能儲存後於早晚負載高峰時使用,對於電力負載將可達到移峰填谷之功效,達到電力平衡,改善間歇性問題,如圖一所示;也可確保當電網系統無法承受大量再生能源併網時,可透過儲能系統快速充放電的能力來調節頻率,減少對電網的負荷。從以上說明,我們可以了解當再生能源設置越來越多,儲能系統所扮演的角色也會越來越重要。 

圖1 太陽供電結合儲能系統示意圖。

 

為了解決再生能源受天候、季節所產生的間歇性發電問題,如抽蓄水力發電系統、鉛酸電池、液流電池、鋰離子電池等具有快速充放電能力的儲能系統就成為重要的輔助設施。依照美國能源部(DOE)資料,截至2019年10月底,全球累積儲能裝置容量達187.8 GW,共有1,579個儲能專案,其中水力抽蓄發電(Pumped Hydroelectric Storage)佔全球儲能系統高達96%。雖然水力發電被認為是比較環保的儲能與發電方式,但需要有適合的天然地形,像是台灣的日月潭,或是北歐崎嶇的山脈地形,才能夠設置適合的抽蓄水力設施,且大多數可開發的地點都已飽和,要增設較不容易。DOE的資料庫中,數量最多的儲能系統為電池儲能,專案數量約佔總專案數的三分之二,多用於地區型儲能,單一規模雖然不大,但可發揮調節電力調度的需求。著名案場如特斯拉(Tesla)在南澳鄰近風電廠處,建置了100 MW/129 MWh鋰離子電池儲能電廠,在關鍵缺電時刻發揮了作用。儲能系統過去推動最積極的國家為南韓,2017年起推動電化學儲能系統設置,目前總裝置量為1,336 MW;不過,至2019年11月,韓國共發生28起儲能設施的火災事故,顯示在安全上仍需有更明確的規範。

電池具有可攜帶的特點,而鋰離子電池(Lithium-ion Battery)因具有高能量密度、可快速充放電等特性,應用於手機、筆電等消費型電子產品;近年來擴大到電動車、儲能系統等應用。因為鋰離子電池改變了人類的生活,2019年諾貝爾化學獎頒發給發明與改良鋰離子電池的三位日本及美國科學家。鋰離子電池能夠蓬勃發展,電動車的產業化功不可沒,每輛電動車所需要的電池量很大,幾乎是手機的一萬倍,以特斯拉(Tesla)電動車為例,一部電動車需要使用的電池約100 kWh,以年產約50萬輛計算,一年需要的電池高達50 GWh,如此大量的電池用量,造就了日本、韓國、中國大陸等國的電池廠崛起。台灣則是以Gogoro電動機車主要電池需求來源,2019年生產銷售超過16萬輛,每輛使用電池約3.7 kWh,每年所需電池量也將近600 MWh。根據國際能源署(International Energy Agency)發表的「Global EV Outlook 2019」資料顯示,車用電池每年市場需求量將從2018年的100 GWh,依照不同情境到2030年時增加到1.3-2.8 TWh,車用電池產業預期將持續成長,也將帶動電池成本持續下降。全球鋰離子電池的技術與產能主要掌握在LG Chem、CATL、BYD、Panasonic、Toyota與 Tesla,其中的日韓企業投入鋰電池領域較早,專利持有在全球佔有一定的優勢,日韓大企業都各別擁有5,000-10,000件專利,為鋰離子電池的技術龍頭。在生產製造上,則以中國大陸廠商,如寧德時代(CATL)、比亞迪(BYD)等因市場優勢,投入每年數10 GW的產能,得以有效降低成本。 

未來各式電池的持續發展重點仍在能量密度的提升,當能量密度越高,單位體積可儲存的電量越多,電動車續航力可持續提升,儲能系統所需空間可以更小。主流的鋰離子電池發展將朝高可操作電壓與高能量方向發展,作法包括提高鋰三元電池的鎳含量達80%以上,或是研發可與鋰離子(或鋰原子)進行化學反應的電極材料,電解質則是捨棄可燃的有機溶劑,改用陶瓷等不可燃的固態電解質材料。 

當未來再生能源效率更高時,儲能需求將會更大,擁有相關技術就具有優勢。我們也要了解,雖然台灣沒有大規模的電動車或電池廠,但國內石化業可以生產許多電池重要材料如銅箔、負極材料、電解液等,加上目前各種儲能技術仍有許多進步空間,應從科技研發的角度出發厚植產業實力,才能迎向能源轉型的未來。