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儲能發展未來挑戰與應用契機

2021-01-09

吳錦貞 資深研究員

工業技術研究院綠能所


全球能源競爭及未來發展佈局是近年來最受關注的議題之一。能源安全涉及國家發展的獨特性,低碳經濟轉型儼然已成為世界經濟發展的大趨勢,其中「溫室氣體排放效應」和「能源資源瀕臨供應極限」等問題,亦是二十一世紀面臨最大的挑戰之一。全球對再生能源的需求量逐年提升,其中廣受注目的太陽能發電與風力發電,已大量佈建中,而此兩種再生能源為間歇性電力能源,容易遭受氣候影響,實為不穩定之再生能源來源,併入電網容易增加對電網之電力系統的不穩定性。因此對電網而言,如何能提升電力品質與維持供電安全即為目前最受關注之議題。台灣於2017年7月29日,因尼莎颱風的關係導致和平電廠輸電電塔倒塌,電廠所生產的電力無法外送,使得台電的備轉容量及備用容量頓失132萬瓩。另日本311大地震之天然的災害,也引發福島核電廠核安等問題。利用此兩個案例說明,同時也彰顯出對能源的使用與用電可靠度確實為非常重要的問題。因此如何再生能源的使用率、供電網之架構具更穩定設計、提升資通訊與智慧傳輸等技術,其為現階段解決能源危機及提升電力穩定性之主要研究課題。智慧電網可搭配分散式之發電設備如太陽能發電、風力發電等發電系統、儲能設備如電動車、鋰電池、液流電池等、能源管理系統如電力負載、電力調度與通訊網路技術如遠端監控、指令傳輸、全黑啟動等功能,可提升區域性能源最佳化的使用環境,進而提升電力系統之效率及可靠度。而整個儲能系統之基本架構圖包含能量管理系統、儲能管理系統、功率調節器、儲能電池模組、變壓器與其他監控與消防安全設施等,如下圖1所示。

圖1 儲能系統基本架構圖。

 

目前儲能系統最關注的議題為系統安全性與建置的儲能成本,常見於電力系統的儲能電池包含鉛酸電池、鋰電池、液流電池、鈉硫電池、超級電容、飛輪、超導磁能、氫氣儲能與抽蓄水力等,而考量建置所需時間與技術成熟度,目前主流還是以電化學電池為主,而抽蓄水力因環保意識抬頭與需進行環境影響評估等因素,從評估到建置完成一般需費時數年,因此新建案場也較少。分析近年來全球新建置的儲能示範案場,使用最多的儲能電池皆以鋰電池佔大宗,因鋰電池產業運用最廣,其上、中與下游整個產業鏈很完整,並可提供足夠量的電芯給儲能系統建置使用,且因大量生產,其儲能系統之建置成本亦有機會能降低。而鋰電池也並非完美之儲能電池,目前最大的問題即為其安全性,目前國際上以鋰電池為主之儲能系統建置案已發生多起的儲能失火案例,以南韓為例,自2017年8月在全北高敞風力發電廠連接用1.46MWh儲能系統發生火災開始,直到今年2020年5月間,共有34起的儲能場域火災事故,並請專家進行儲能失火分析,檢討儲能電池、PCS製造、儲能系統設計、安裝、施工、使用安全與操作環境等所有直接與間接可能導致發生火災的因素,並依據事故現場的熔融痕跡與情況,進行水分、粉塵和鹽水等對電池系統絕緣性的模擬試驗,推估發生火災原因有以下四項:(1)電池系統本身缺陷;(2)受電力衝擊的保護機制不足;(3)操作環境不佳、操作管理不足與安裝不謹慎;(4)缺乏系統整合管理等。而美國在2019年4月於亞利桑那州亦發生2MWh電網儲能系統的爆炸事件,造成四名消防隊員因吸入過多燃燒產生之化學氣體而受傷住院,這是第一起有消防隊員因儲能系統火災事故受傷的案例,這些事件突顯了目前國際上對於儲能系統的消防安全防護並未有完善規範。

儲能系統在電網系統,主要功能性在於可提供快速調節電能,並進行能量轉移或儲存再生能源輸出之電能,提供給台電進行調度、用戶端負載與再生能源發電設施間之實、虛功率調節,並降低電網於尖峰用電時期之供電量,用以降低建築物用電契約容量,以減少電費及超約費用支出。其中,輔助服務是屬於一種短時間的備轉容量,其目的為藉由電力調度以維持電力系統的穩定。由於電網結構與負載的不同,因此,所需要的輔助服務種類和電量也不同。而台電目前釋出的輔助服務則包含快速反應備轉容量、調頻即時補充與全黑啟動等項目,可參考圖二說明。而國內目前電業法或相關之併聯技術要點尚未明確規範,同時並未要求再生能源系統的發電穩定性,但除了需考量成本外,亦應配合政府政策逐步興建再生能源發電系統,以108年完成的彰濱100MW為例,為目前台灣單一場址最大裝置容量之太陽光電系統,緊接興建於台南鹽田150MW太陽光電系統,目前於彰光已有進行相關儲能設施建置,後續進行測試,可將此大型儲能系統運行的經驗累積,以作為後續發展的參考。依再生能源推動配套方案,考量儲能設置需要額外成本與空間,因此並非所有再生能源案場都需安裝,未來可設置於有風力發電機、太陽光電或微電網區域設置儲能系統儲能。相關儲能量預估需求,仍需配合電網狀況及國際儲能電池價格滾動式評估。以達成我國設定2025年再生能源裝置容量27GW與再生能源發電佔比達20%之政策目標。

圖2 台電輔助服務市場,讓儲能系統參與目前最有價值的調頻服務(AFC),協助穩定用電安全。Source: 台灣電力企業聯合會電子報第十期2019.07.31(重製)。

 

國內儲能系統的發展正在起步階段,急需快速累積大型場域的操作經驗,以利於未來國內廠商投入台電輔助服務或參與國際的儲能標案。另一個必須考量安全問題,國際上儲能場域的能量密度及裝置容量皆不斷增加,消防與安全相關問題逐漸成為隱憂,現階段只能先參考國際儲能場域相關的火災事故及其因應對策,做為未來規劃之參考,而國際上主要儲能系統相關的消防安全標準,目前只有美國、日本及中國大陸有較完整之規定,即便近年在儲能市場發展迅速的德國、澳洲及韓國,其消防規範也仍在研擬當中。

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