綠能引擎加速 儲能系統的種類與原理

全球能源轉型時代來臨，各國無不積極發展綠能政策，綠能科技更被視為未來經濟成長的趨動引擎；另一方面，全球氣候暖化情形逐年惡化，異常氣溫與極端氣候消息頻傳，聯合國政府間氣候變遷委員會IPCC強烈呼籲各國在2050年前儘量使用低碳排放能源發電，並積極尋找綠色替代能源。

在經濟成長趨力與低碳排放壓力兩股力量的作用下，我國政府於民國105年通過「5+2產業政策」之一的「綠能科技產業創新方案」，並於「前瞻基礎建設計畫」中規劃綠能建設項目，期能加速我國綠能產業發展，以綠色內需吸引國外大型投資，增加優質就業機會，同時帶動綠能科技躍升，提升我國綠色能源自主率。

全球儲能技術類型與現況

國際電工委員會 （International Electrotechnical Commission，IEC） 依能量儲存形式不同，將儲能系統概分為五大類別，包括機械、電化學、化學、電力及熱能儲能。

1.機械儲能

機械儲能當中主要以抽蓄水力儲能、壓縮空氣儲能及飛輪儲能為主，其中抽蓄水力儲能技術已然成熟，相當於一組大型儲能系統，且已具備商業化規模。抽蓄水力儲能系統通常建置在兩個以上不同高度的蓄水庫（人工或天然），在用電離峰時段將水從低處加壓送往高處，待用電尖峰時段再將高處的水釋放至低處，通過渦輪水力發電機進行發電，以平衡尖、離峰極端的用電需求。

而壓縮空氣儲能的原理是在用電離峰時將電能用於壓縮空氣，再將空氣高壓密封在廢棄礦井、沉降的海底儲氣罐、鹽洞、過期油氣井或儲氣井中，待用電尖峰時再釋放出壓縮空氣，經過加熱燃燒與渦輪膨脹等過程進行發電，雖然燃氣渦輪機運作仍然需要化石燃料助力，但是該技術是一種更高效、儲存容量也更大的儲能方式。

飛輪儲能是將電能以動能形式儲存起來的一種技術，因此又稱為「動能電池」，其操作原理如下：

充電：電流經馬達驅動飛輪增加速度，藉由飛輪旋轉運動，將能量以動能（旋轉）的形式儲存。

放電：經由飛輪的旋轉帶動發電機產生電流，輸出供給負載。

飛輪儲能的特色是儲能密度高、功率大、效率高（80～90%）、壽命長且無汙染。

2.電化學儲能

由於電化學儲能系統較不受限於地理環境，因此現階段的儲能系統大多以此技術為主，包含鉛酸電池、鋰電池、液流電池等；其中，鋰電池因體積小及能量密度高等特性，逐漸成為主流；而液流電池由於安全性高、蓄電量高、儲電成本低，加上未來成本有望接近抽蓄水力的儲電成本，因此未來的發展前景也十分看好。

3.化學儲能

化學能源儲存技術主要是將氫氣（H2）及合成天然氣（SNG）作為二次能源載體，因為上述物質具高能量密度以及可壓縮或液化儲存的特性，對於大量電能儲存有顯著的效果。其運作原理是將電網過剩的電力經由電解水產製氫氣，將之作為能源載體，再以純氫或合成（替代）天然氣燃料形式使用。化學儲能的整體來回效率較低（20～40%），但相當適合用於儲存大量能源，甚至可以達到一兆瓦功率一小時 （TWh）的等級，也可以用於跨季節儲能。此外，氫氣和合成天然氣作為能量載體，可應用於相當廣泛的領域，包含發電、電動車、加熱和化工業。

4.電力儲能

電力儲能以超級電容及超導磁儲能為主。目前由於超級電容功率高、穩定佳且循環壽命長，在產業應用上也發展得相當穩定。超導磁儲能是利用超導線圈通過整流／逆變器，將電網過剩的能量以電磁能的形式儲存起來，需要時再通過整流／逆變器將能量回饋給電網。超導材料在低於其臨界溫度下，結構中電子與晶格相互作用，沒有能量的損失，完全不受晶格影響，因此電阻是零，傳輸電能時不會有電力損失，所以可做為發電廠與城市間電力輸送之用。

5.熱能儲能

熱能儲能有三種主要類型，分別是熱泵儲能、熔鹽儲能以及液態空氣儲能。熱泵儲能是由兩個桶槽（通常是不鏽鋼）所組成，桶槽內填裝礦物顆粒與能壓縮／膨脹氣體的裝置，使用接近理想氣體的單原子氣體（如：氬氣）作為工作氣體，搭配充滿工作氣體的迴路連接至壓縮機與膨脹機，在增加／降低相同的壓力下，可加熱／冷卻較多的能量，有效降低儲能成本。熱泵儲能可達數分鐘或數十分鐘，屬於中型儲能系統，儲能成本相當低；目前熱泵儲能規模約為2～5MW。

熔鹽儲能是轉換效率極佳的一種儲能技術，利用兩個均為液態金屬的電極，將低密度液態金屬（如：鎂）置於頂端、高密度液態金屬（如：銻）置於底部，當電流通過時，鎂會失去兩個電子變成鎂離子，並進入電解質，接受兩個來自銻的電子，兩者形成合金；當電子進入外部迴路即會產生放電現象；反向輸入電流時，鎂從合金上脫離，返回上層電極，使電池回復初始狀態，達到充電的作用。然而，此系統需於攝氏700度高溫下操作，以保持液態金屬的工作狀態，是一大技術課題。

液態空氣儲能的工作流體通常為液態空氣或液態氮氣，因此又稱為低溫儲能。液態空氣儲能主要利用用電離峰時段時過剩的電能，驅動空氣液化機吸取周圍的空氣、產生液態空氣（700公升常溫空氣約可變成1公升液態空氣）。液態空氣被儲存於低壓絕熱的桶槽，當需要用電時，將液態空氣從儲存槽中以高壓的狀態輸出（溫度亦升至室溫），以此驅動發電機以產生電能。

儲能發展為基石 綠能大步向前行

臺灣目前在綠能產業的推動上，主要涵蓋四大主軸：

創能：開發風能及光能。

節能：裝設智慧電網、節能設備以及汽電共生等設備。

儲能：鋰電池、液流電池等技術開發。

智慧系統整合：引進能源技術服務業（ESCO）、推動節約能源等。

現階段臺灣積極推動創能產業（如離岸風電與太陽能產業等），但由於再生能源幾乎都存在著發電量不穩定的問題，未來在尖、離峰的用電調節上，儲能技術的發展勢必將扮演要角。

然而目前臺灣廠商在儲能領域尚無太多著墨，未來該如何滿足臺灣創能所需，切入國際儲能產業供應鏈，亦或是尋找利基市場以建立自主儲能產業，都值得深思。