綠能引擎加速 儲能系統的種類與原理

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文 金屬工業研究發展中心執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師 陳靖惠博士 圖 明潭發電廠

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。

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