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儲能技術與微電網的重要發展

2020-11-07

胡毅、王逢偉 教授

大同大學


溫室效應的升高,造成全球氣候的劇烈變化,加上人類對於石化能源短缺的恐懼,已經帶來新能源革命,希望能以乾淨能源逐步取代石化能源,在可預見的未來,再生能源的使用比例勢必會大幅提升。台灣在成為無核家園的未來展望下,對再生能源寄與相當大的期望。我國近年來為因應國際減少溫室氣體排放以及減核之趨勢,訂定國家能源轉型政策,將大幅提高再生能源發電佔比,其中依再生能源發展條例規劃2025年再生能源發電目標總量達二千七百萬瓩以上,再生能源發電佔比達 20%之目標。使得電力系統不可避免的將面對快速變動、穩定性與可靠度等議題。然而再生能源中太陽能與風力發電這兩個主要項目,有易受季節和氣候影響,造成供電不穩定的特性:風力發電受風力大小影響、太陽光電受日照強弱影響,皆無法充分配合用電負載需求之變化,穩定供應電力。當再生能源佔總電力負載供給比例過高時,如何穩定電力系統之供電品質,是當前世界各國積極發展再生能源普遍共同遭遇的難題。目前解決這樣的問題的最佳方法便是微電網的建構。

圖1 結合能源供應網路與通訊網路串聯而成的智慧電網產業,結合資通訊技術包括:智慧電池管理系統、智慧型電力轉換器、智慧行為電網能源管理系統的建置。

 

微電網(Micro-Grid)是由分散式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、負載、監控和保護裝置等組成的小型發配電系統。相對傳統大電網的概念,微電網是指多個分散式電源及其相關負載依照一定收集與分配的架構組成的網絡,然後併聯至常規電網。目前電網之中以分散式發電具有能效高、污染小、可靠性高、安裝地點靈活等優點。然而分散式再生能源發電具有間歇性與不穩定性,若區域再生能源占比逐漸提升,勢必衝擊到電力系統區域運轉的穩定性。利用微型電網則能夠提供高效、穩定供電的一個重要手段,並且是提升再生能源占比的最佳途徑。為了有效整合分散式發電的優勢,提高可再生能源的利用率,增強電網的穩定性,儲能系統在此扮演了關鍵的角色。儲能系統涉及發電(generation)、輸電(transmission)、配電(distribution)乃至終端電力使用者(end user)等應用。

圖2 當天災導致停電時,微電網系統由併網模式自動切換到孤島模式,透過太陽光電及儲能電池,提供緊急與維生所須的電力。

儲能技術的研究和發展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門重視。電能可以轉換為化學能、位能、動能、電 (磁)能等形態儲存。按照其儲能具體方式可分為機械式、化學能式及電(磁)式等儲能類型。其中機械式儲能包括抽蓄水力、壓縮空氣及飛輪儲能;電磁式儲能包括超級電容與超導磁儲能;化學能式儲能則包括液流電池、鈉硫電池、金屬空氣電池、鉛酸電池、鎳鎘電池…等電池儲能。在發電方面,儲能系統可以提供快速回應調頻服務,提高電網備用容量,並且可儲存如太陽能、風能等再生能源,持續供電給終端使用者。如此利用儲能系統不僅可以利用再生能源清潔發電的優點,也能有效地克服再生能源的波動性、間歇性等缺點。在輸電中,儲能系統可以有效地提高輸電系統的可靠性(reliability)。在配電方面,儲能系統可以提高電能的品質(quality)。在終端使用者方面,分散式儲能系統在智慧微電網能源管理系統的協調控制下優化用電、降低用電費用,並且保持電能的高品質。

除了利用儲能系統作為調節分散式再生能源的間歇性與穩定性之外,微型電網是可以提供高效率及穩定供電的一個重要手段,並且是進一步提升再生能源占比的最佳途徑。而未來電網結構將從傳統採用集中式的發電系統,轉為分散式的多能源供電方式,能夠將新能源與再生能源導入電網供應,同時改善電網的運作效率,並增進能源管理的彈性。分散式能源資源當前的發展趨勢必須依賴物聯網,才能夠大量與傳統電力公司併網成為新一代網路電力供需型態,亦即智慧電網、微電網之應用(如圖1所示)。亦即由能源供應網路與通訊網路二大主線所串聯而成的智慧電網產業,結合資通訊技術、新能源、新材料的科技發展。

圖3 台電在彰濱工業區打造占地達140公頃全國最大、總裝置容量達100MW的太陽光電場,光電板以當地保育類動物白海豚及小燕鷗的意象設計。

目前產業界已開始朝向智慧電網(Smart Grid)、雲端服務(Cloud Computing Service)與綠色建築(Green Building)等方向發展,而適逢能源危機與全球暖化的問題不斷被提出,能源議題亦成為各國迫切解決的國際性問題。新一代智慧電網的特色包括,具有自我感知狀態、自我分析策略和自動控制,以形成一個可以通過廣域通信網連接的龐大智慧型機器;單位輸電走廊的輸電能力更高、輸配電損耗更低,讓能源綜合利用效率更高;電網承受擾動與衝擊的能力更強,運行更加安全。為了實現前述特色,電網發展的未來,必須在輸電方式、設備與技術、智慧化技術及可再生能源併入系統技術,都要有所突破。根據美國潔能源技術研究機構Navigant Research去年發布有關微電網最新研究報告稱,截止2018年第四季全球微電網共2258個項目,包括已經安裝和計劃中的累計規模達到19.575GW。北美是微電網市場總容量方面領先全球,其次是亞太地區,中東和非洲。不僅如此,報告顯示太陽能光伏和能源存儲在現代微電網系統中占最大地位,特別是農村電氣化和能源接入計劃推動了遠程領域的增長。

圖4 智慧能源方案是搭配再生能源發電的移動式變電站至大型高壓變電站設計與建置、微電網設計、太陽能應用。(大同永旭提供)。

台灣在微電網系統的建構也持續在推動中,例如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(圖2)。2019大同公司也協助工業技術研究院為配合區域性儲能設備技術示範驗證計畫,在高雄永安大型儲能系統規劃於全國再生能源場域中建置1MW/1MWh電池系統兩處(圖3)。微電網太陽能系統也能建置在建築的屋頂上或空地上(圖4)。