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微電網中的儲能系統的發展

2022-02-16

胡毅 教授

大同大學


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,再生能源發電成為未來能源重要選項。台灣發展再生能源以太陽能與風力發電兩個主要項目,然而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,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。而微電網的關鍵技術包括:規劃設計技術、分散式電力轉換技術、多元複合儲能系統、電能品質管理系統等。台灣在微電網系統的建構也持續在推動中,而大同公司在104年選擇在烏來區公所協助增設防災型太陽能發電,提供緊急用電,維持烏來指揮中心運作。微電網的架構中重要的設備包括再生能源、變流器、變壓器與儲能設備(圖1)。

圖1 烏來區公所之防災型太陽能發電微電網架構圖(大同公司提供)。

電網儲能應用技術多元,具體方式可分為機械能、電化學能、化學能、熱能及電(磁)式等儲能類型,如圖2所示。一般分成五種主要的儲能類型:(1)機械儲能,(2)電化學儲能,(3)熱儲能,(4)電力儲能,(5)化學儲能。由於各種儲能獨特的性質,儲能技術的能力與發電資產的衡量方式不同。最常用的儲能形式總結如下。這些關鍵術語描述了每項技術的評量:
(1)持續時間—在需要充電之前它可以提供多長時間的能量。
(2)循環壽命—它可以提供多少次充電/放電循環。
(3)往返效率—有多少用於為設備充電的能量在放電時將返回到電網。
(4)反應時間—它可以多快發電。
(5)總結還包括微電網應用程序和每種技術的關鍵限制。

圖2 依能量儲存形式之不同概分機械、電化學(化學)、電力及熱能儲能等儲能系統(EES)。

 

目前儲能技術中以電化學儲能系統具容易大量生產,不受限於地理環境的特點,利用電化學方式充電將電能轉換成化學能,在需要時再將化學能轉化成電能完成放電,且容易根據應用特性及需求設計易於擴增之模組化儲能系統,具有實用性及便利性,其中較常被使用的包含鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池及液流電池等幾類。微電網中加入儲能系統,重要目的之一在平抑風能及太陽能等分散式電源輸出功率的波動,以提高微電網的效率及可靠性。目前儲能技術種類繁多,因特性差異及應用條件與設置狀況不同,使得彼此間比較困難。能量存儲系統具有能量等級,以千瓦時 (kWh) 或兆瓦時 (MWh) 表示,以表示系統可以容納多少能量。儲能系統有一個額定功率,表示在某時間點可以提供的最大電量,以千瓦 (kW) 或兆瓦 (MW) 表示。

圖3 (左)電芯倍率放電能力測試圖,1C充電;0.2~5.0C放電。(右)電芯0.2C充電/1C放電循環壽命測試圖 (大同公司提供)。

以鋰離子電池為例,儲能系統發展的過程其第一步驟是選擇電池材料,指的是正極、負極、電解液、隔膜。需要知道電池的特性材能決定儲能系統的設計及電池數量。如圖3所示是磷酸鐵鋰離子電池的放電能力與循環壽命測試數據圖。由數據得知其單一電池芯的電壓為3.3伏左右,其額定容量約2200(mAh,微安時),循環充放電1000次後能量仍可達到原始能量的92.5%。第二步驟是把這些電池材料組合起來就成為電池芯。上述鋰電池可以儲存的能量就是3.3 V x 2200 mAh = 7,260 mWh = 7.26 Wh。一度電是 1000 Wh,約需138顆電池才能湊到一度電(1000 Wh / 7.26 Wh = 137.7)。一個一兆瓦(1MW) 儲能系統大約需要 138000 顆這樣的電池。而一輛的特斯拉(85D型號)有85度的電池容量,使用需要 85000 / 7.26 = 11708 顆這樣的電池。實際上特斯拉的 85 kWh 電池模組是由 7104 顆 18650(鋰電池的尺寸標號) 三元材料電池構成。因此每顆電池須提升其能量才能降低電池的數量。目前應用鋰電池的正級材料大致分成三大類:鈷酸鋰 (LCO)、磷酸鐵鋰 (LFP) 與三元材料 (NMC)。第三步驟是把很多電池芯串併組合在一起成為模組,一個電池模組通常至少有 100 顆電池,便於管理。目前標準電池模組輸出電壓為12或24V,以此電壓來堆疊串聯成所需的電池儲能系統。

整體而言,分散式發電系統的轉換效率仍遠小於大型集中電廠發電。在分散式發電系統在再生能源的分散式發電中加入儲能系統就可以有效地提高能源利用率、降低環境污染並改善系統的熱經濟性。目前,微電網中所使用的儲能元件主要分為兩類:一類是功率型儲能,以超級電容器為代表,反應速度快、充放電壽命長;另一類是能量型儲能,以蓄電池(鉛酸電池與鋰電池)為代表,具有較高的能量容量,充放電時間長。實際使用中,以蓄電池型儲能為主。表1所示為電池與電容特性的比較,目前微電網儲能發展以混合應用在示範專案使用上,即蓄電池+超級電容組合。蓄電池容量大,但需要避免頻繁充放電以延長壽命;超級電容容量小,但允許充放電次數多,充放電效率高。可根據二者特性,可以作出相應的控制策略。提高儲能的效率及壽命。超級電容器(又名雙電層電容器)既可以提供高功率密度、安全性和使用壽命,又可以像鉛酸電池一般穩定可靠,可以與電池並聯,創建一個更高效、更穩健的完整電氣系統。

特性

碳超級電容

鋰離子電池

鉛酸電池

電壓(cell voltage)

2.3-2.75 V

3.6~3.8 V

~3~6 V

能量密度(Wh/kg)

1-10

100-200

10-100

功率密度(W/Kg)

>10000

1000-3000

<1000

放電時間

0.3~3 min

0.3~3 h

0.3~3 h

充電時間

0.3~3 min

10~60 min

1~5 h

充放電效率(%)

92~98

85~95

70~80

壽命(cycle life)

>1,000,000

>1000

>1000

表1  鋰離子電池、鉛酸電池與超級電容特性的比較。

圖4 大同配合政府前瞻計畫建置中的大型儲能系統-「彰濱儲能示範案場」。搭配再生能源太陽能應用、變電站設計與與微電網建置(大同公司提供)。

大同公司自2014年起投入微電網及儲能系統相關技術,協助屏東縣政府建置的林邊鄉智慧微型電網示範園區,是台灣第一座實際商轉的微電網系統。2019大同公司也協助工業技術研究院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4)。這些年再生能源技術發展迅速,微電網的設備也逐漸成熟,讓微電網得以導入新技術的再生能源。目前微電網的應用最主要的發展方向:

1、提高分散式可再生能源的滲透率。過低的滲透率無法供應足夠的電力供微電網運用。根據IRENA (Roadmap for a renewable energy future)的變動性再生能源發電占比定義:5~20%為中度滲透。超過10%,若没有充分的電網基礎設施,可能產生棄電現象。

2、提升與偏遠薄弱地區的電力供應。可獨立型供電之系統,為全時區域供電需求(如製造業、島嶼或偏遠社區),讓電力使用者取得具有可靠穩定的電力供應。

3、提高對電能品質和供電可靠性。微電網的特色是具備自治性,可利用電網自身的供電設施,獨立提供電力給轄下的電網用戶。並且能與大電網結合成為分散式供電模組,作為大電網的電力供給來源。