儲能技術的介紹與發展

導讀
近年來,全球對環境變遷的影響愈來愈重視,可再生綠能被視為能源轉型與減緩氣候暖化的重要目標,相關的儲能技術與電網系統成了能源轉型的關鍵角色。本文就儲能技術的介紹與技術發展來探討儲能的發展潛力。
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一、前言

化石能源帶起了工業革命,創造了人類的文明與社會的進步,使人類的生活與其密不可分,我們也更高度依賴化石資源帶來了生活的便利。然而,化石能源的消耗,也對環境帶來了巨大的衝擊,碳排放與溫室氣體造成了氣候變遷與海平面上升,全球性的氣候災難,使得人們開始面對自己帶來的問題。為了減緩氣候變遷的速度、降低碳排放,各國開始轉向可再生能源邁進,但風能、太陽能和川流水力等,屬於間歇性能源,無法持續穩定地供應能源,所以需要儲能設施與能源網絡的組合來達成供需的穩定性。儲能技術擔負著能源有效利用的重擔,也扮演著能源轉型的契機,使能源的利用能夠從高污染化石能源邁向低碳排放或無汙染的可再生綠能邁進,也是全球各國努力與期待的目標。儲能技術的重要性,將可能使能源輸入國變成能源自主國,也可能將儲能技術成為新能源技術輸出。

二、儲能介紹與相關技術發展

儲能技術依據能源的利用方式分類,主要有機械、電化學、化學、電氣、熱或混合系統類型,再根據其形成和組成材料,將系統分為各種類型(Hannan et al., 2017; “IEC-White Paper-Electrical Energy Storage,” 2011),如表1所示。相關儲能技術的介紹與目前發展,如下所述:

(一)抽水蓄能(PHS)

抽水蓄能屬於機械儲能之一,佔全球儲能容量的99%,全球的發電容量約佔3%,可進行離、尖峰時間的能源管理,作為短時間內的供應儲備和非固定儲備使用。近來,美國洛杉磯水電局(Los Angeles Department of Water and Power, DWP)對胡佛水壩(Hoover Dam)提出了新的計畫,希望能在2028年完成,將下游的科羅拉多河水抽回米德湖(Lake Mead),來儲存太陽能和風能,並以循環的方式調節尖峰時段的電力輸出,對於間歇性的綠能來說,抽水蓄能解決了其能源儲蓄不易的問題,也穩定了電網,提供無碳排放能源(Grossman, 2018)。

(二) 二次電池

電化學儲能系統中的二次電池在電動汽車和其他便攜型電氣和電子產品的儲能設備市場上,廣泛地被利用,鋰離子電池是其中最具潛力與優勢的。電極材料與電解質是影響了電池的成本、穩定性、循環壽命和安全的主要因素,所以突破電池的性能和安全性,是許多產學研努力的方向。美國伊利諾大學開發出以3D列印製作出固態電解質,可以快速、便宜地生產和客製化電池規格,且擁有更高的充放電容量和更好的性能(Cheng et al., 2018)。馬里蘭大學、美國陸軍研究實驗室和阿岡國家實驗室合作開發出氟基電解質,在一千次充、放電循環後,仍可維持93%的電池容量,延長的電池壽命,並使電解質不易燃與不透水,增加了使用電池的安全性(Fan et al., 2018)。馬里蘭大學也利用了半導體的製造技術與原子層沉積技術,製造出非常高的功率和能量密度3D固態電池,其電解質不易燃,技術製程跟半導體製造相同,所以可直接整合到各種穿戴式裝置或智慧型手機應用上(Pearse et al., 2018)。

鈉離子電池是未來有機會可以挑戰鋰離子電池的技術,因為鈉在地球上的含量比鋰更豐富,價錢更便宜。由於鈉離子比鋰離子更容易形成積聚,在充、放電過程鈉離子無法在電極間自由移動,所以在電極和電解質的改良,將有機會使鈉離子電池朝向商業化方向邁進。英國伯明罕大學利用超級電腦運算量子力學模型,發現鈉離子在磷電極的充電過程中,比石墨電極的電荷儲量多7倍,提供了如何製造高容量鈉離子陽極的新方法(Marbella et al., 2018)。普渡大學在電池製造過程中,在陽極或陰極電極上多補充鈉,幫助固體電解質提供額外所需鈉的量,並保護碳電極,降低了鈉積聚產生,使電池在充電和放電過程中更穩定(Tang et al., 2018)。

(三) 液流電池(FB)

液流電池是將能量儲存在一種或多種電活性物質溶解在液體電解質中,電解質儲存在電池外部,透過電化學電池的泵送,將化學能直接轉化為電能,反之亦然。液流電池被認為用來儲存間歇性可再生能源的可能選項,但目前為止,受到液體種類、輸送的容量、需要極高的溫度、化學品使用具有毒性或昂貴而受到限制。史丹佛大學開發了鈉鉀液態金屬為負極電解液的新型液流電池,利用混合鉀和氧化鋁製成的陶瓷膜,以保持負極和正極材料分離,在室溫下允許電流流動。此種液態金屬可承受較高的電壓,且可穩定運作數千小時,滿足成本、效率、尺寸、壽命和安全性等多種目標(Baclig et al., 2018)。目前,全釩氧化還原液流電池在大型儲電的應用上,逐漸發展成熟與受到關注,其成本、壽命、安全等因素,使其在太陽能、風能、不斷電系統(UPS)、電網調節、電動車、通訊站或軍事基地等領域具有極大的優勢和廣泛應用的前景(Yang, 2017)。

(四) 燃料電池(FC)

化學儲能中的氫氣是燃料電池中最常見的燃料,也是作為電動車與儲能設施最有潛力的技術。目前氫氣的來源有化石燃料重組和水電解,化石來源會有碳排放的問題,所以水電解就成為發展氫燃料能源的關鍵方向。為了可以大量生產氫能源,美國愛達荷國家實驗室開發出多孔隙蒸氣陶瓷電極,利用電化學方法生產氫氣,且電力來源可來自風能、太陽能、核能和其他無碳排放的能源(Wu et al., 2018)。氨是氫氣儲能的新競爭對手,其單位體積的能量密度幾乎是液態氫的兩倍,而且方便於儲存、運輸、分配和燃燒,使氨在化學產業有機會發展成新的能源商業模式(Service, 2018)。

(五) 超級電容(UC)

超級電容具有高效的物理方式儲能特性,所以比鋰電池的化學轉換成電能更有效率,所以充放電效率高,且具有高功率密度、壽命長、耐高電壓與高溫,可以提供車輛瞬間功率輸出與性能提升。對於混合動力車來說,效益良多,除了可提高效率和功率控制,也提升了行駛距離,降低油耗,與電池結合可提高電路的穩定度。在車輛動能回收系統中,可在煞車時,將動能有效的儲存成電能,並在車輛加速時,瞬間提供動力使用。德國萊布尼茲新材料研究院開發出鐵氰化鉀與液態介質的混合式材料,比液態硫酸鈉材質超級電容提供更高的能量密度和電力輸出,且充放電循環穩定度可達1萬次,儲電狀態維持更久而不會自動放電(Deign, 2016)。

(六) 熱儲能系統(TSS)

熔鹽熱儲能技術,利用固態離子晶體吸收太陽光熱或工業廢熱儲能,在高溫下形成熔融態無機鹽,將能量儲存起來,高溫的熔鹽循環流動,透過熱量交換的循環將水變成水蒸汽推動渦輪發電。熔鹽儲能在儲能成本、可再生能源的利用率、溫室氣體排放方面,比電化學儲能更具有優勢。美國普渡大學與喬治亞理工、威斯康辛大學和橡樹嶺國家實驗室合作開發出陶瓷-金屬複合材料的板材作為熱能交換器,可將熱能有效地從熱熔融鹽傳遞到工作流體,能夠承受高溫與超臨界二氧化碳流體的高壓下工作,進而使渦輪發動機在相同的熱量下,能夠產生更多的電力(Caccia et al., 2018)。瑞典查爾姆斯(Chalmers)理工大學開發一種分子太陽能熱能儲存技術與特殊的分子,將太陽熱能儲存在分子結構轉變上,儲存的時間可長達18年,循環利用的過程也不會使分子受到損壞,更不會有汙染排放的問題產生(Wang et al., 2018)。熱儲能在匯集、儲存和能量轉換技術的進步,將使能源的使用效率提高,減少能源轉換過程中產生熱能的浪費。

表1 儲能系統分類與說明
資料來源:Hannan et al., 2017;本研究整理。

三、結語

儲能技術與設施提供了能源轉型的助力,使能源的來源更加廣泛與支持可再生能源能夠替代高汙染性能源,以及穩定能源的供給,除了改變能源的使用方式,也可提升能源的使用效率。隨著技術發展成熟和開發成本逐漸下降,將使能源產業興起一股創新經濟模式,例如Tesla的儲電系統,其中家用的儲電系統Powerwall,可以將白天的太陽能儲存起來,在夜間提供電力使用,或是當電力公司傳輸中斷、發生不可抗力之因素導致電力中斷時,可及時提供備援電力;Powerpack儲電系統在南澳大利亞洲用來儲存風力電能與穩定區域電網運作,在2017年年底,發生遠在1,000公里外的燃煤發電廠跳閘瞬間,儲電系統瞬間向電網輸送了備用電力,短時間穩定了該區域電網的供輸,展現了儲能系統的高應變能力與穩定供輸之價值(Tech News, 2017)。在台灣的新創公司Gogoro,以快速換電系統開啟了交通運輸的新格局,改變人們使用能源的方式,進一步改善了對環境的影響,如空汙、噪音、碳排放等等因素。換電站其實是一座儲能系統,未來可作為多元能源供需的平台,創造出能源自主與新能源經濟的商業模式。

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