[能源產業] 儲能技術特性及其適合的應用
儲能系統用途
儲能系統可提高再生能源的使用效率、支援分散式電網中的區域性再生能源、成為電網內的基礎設施來平衡再生能源的使用、補助大眾在電力上的自給自足需求。儲能系統將會被廣泛地建置，成為能量傳輸系統中重要的一環 [1-3]。儲能系統在全域能量傳輸系統中扮演各種角色並有著支援未來各層級電力系統的功能(圖1)。 |
| 圖1 儲能系統在電力系統中的重要位置及應用 [3]。 |
技術特性
各種儲能系統技術本質上有著不同的特性，這特性體現在功率及能量上，並決定了其對特定電力系統的適用性。圖2呈現各種儲能系統技術在額定功率下的放電時間與額定功率間的對應關係，放電時間尺度由數秒到數小時之間，額定功率尺度由kW等級到GW等級。
舉例來說，抽蓄儲能(PHES, pumped hydro energy storage [4])及壓縮空氣儲能(CAES, compressed air energy storage [5])能提供數十小時的大功率連續放電，可做為大型輸電系統(bulk-power system [6-8])的電力管理之用。高功率飛輪(high-power flywheels)、高功率超級電容(high-power supercapacitors)等技術的放電時間較短及功率較小，適合應用在小型不斷電系統上或是用來加強電力品質。
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| 圖2 各種儲能系統技術在額定功率下的放電時間與額定功率間的對應 [9]。Note: Zn-Cl = zinc chlorine flow battery, Zn-Air = zinc air flow battery, ZBFB = zinc bromine flow battery, VRFB = vanadium redox flow battery, PSB= polysulfide bromine flow battery, NaS = sodium sulphur, NaNiCl = sodium nickel chloride, NiCd = nickel cadmium, NiMH = nickel-metal hydride, SMES = superconducting magnetic energy storage. |
另一方面，能量密度與功率密度的關係限制了某些儲能技術的特定用途。圖3是各種儲能技術的功率密度及能量密度比較圖。高能量密度意味著，較小體積(重量)的儲能系統，即可達到目標容量，增加了產品設計上的彈性。高功率密度則意味著，較小體積(重量)的儲能系統，即可達到目標功率，實現產品小型化及輕量化。圖3同時也指出了過去各種儲能技術專案達到的功率密度及能量密度，新的專案正在不斷刷新這些紀錄。例如，一個200 MW/800 MWh的全釩氧化還原液流電池(VRFB, vanadium redox flow battery [10, 11])專案正在中國進行中，預計到2018年完成 [12-14]，該廠商在2011年已有成功提升兩倍能量密度的案例 [12]。
鋰離子電池特性
鋰離子電池由於具有高功率密度及高能量密度(圖3中的Li-ion)，被廣泛地應用在攜帶型裝置、電動載具、支援電網的固定式儲能裝置上。當然，決定產品應用的理由不見得會只基於一種標準。例如，在靜態的儲能系統中，不像動態的車輛或移動裝置，其成本及壽命的條件通常遠重要於能量密度 [15]。
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| 圖3 各種儲能技術的功率密度及能量密度比較圖 [16]。Note: SMES = superconducting magnetic energy storage, NiCd = nickel cadmium, NaS = sodium sulphur, PHS = pumped hydro storage, CAES = compressed air energy storage, VRFB = vanadium redox flow battery, PSB= polysulfide bromine flow battery, ZBFB = zinc bromine flow battery. |
適合的應用
適合的應用可由充放電能力及跟電網間的關係兩方面來看。
充放電能力
連續充放電能力的持續範圍影響了儲能系統在不同應用的適用性。由此觀點，可將儲能系統區分為“短期”、“日用”、或“長期”儲能，如表1所述。| 持續範圍 | 描述 |
| 短期儲能 |
充放電時間在幾分鐘以下。
通常使用超級電容、超導線圈 [17-21]、機械飛輪等儲能技術。
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| 日用儲能 |
充放電時間在幾分鐘到數小時之間。
使用抽蓄儲能、壓縮空氣儲能、及各類電化學儲能技術(例如: 鋰離子電池儲能)。
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| 長期儲能 |
充放電時間在數十分鐘到數小時以上。
能量儲存周期通常在數週到數月之間。
通常使用大型抽蓄儲能、壓縮空氣儲能、全釩氧化還原液流儲能、鈉硫電池儲能技術 [22, 23]。
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表1 儲能應用與放電時間 [24]。
跟電網間的關係
根據儲能系統與電網間的關係，圖4呈現這些儲能技術的概觀，主要包含併網服務(grid services)、在表後(BTM，behind the meter)、及離網(off-grid)三大類應用。
併網服務(grid services):
自從電網減少了火力發電廠的電力供應量，需要有新的電力供應者來維持電網系統的穩定性(例如: 頻率控制 [25, 26])。儲能系統有著很好的特性來面對這項工作，特別是電池儲能系統有著快速反應、建置時間短、好的可擴展性，來提供併網服務。例如: 大型電站級電池系統。在1989年，德國在西柏林運作了一個大型電站級鉛酸電池系統，規模17MW/14MWh為當時最大 [27-29]。最近則是2017年，Tesla公司在南澳運行了一個大型電站級鋰離子電池系統，規模100MW/129MWh也是當時最大 [30-32]。
在表後(BTM，behind the meter):
“在表後系統(BTM system)”指的是可製造能源供應家用住宅、辦公大樓、或其他商用設備等的再生能源產生設施(例如: 太陽能板) [33]。對儲能系統而言，可使用電池儲能系統來增進電力自給自足的能力並達成發電的去中心化。在這種狀況下，電網的供電量將減少，同時降低用戶的電費。儘管目前價格上對於一般私人用戶並不是太親民，但是對新科技的興趣以及對區域性綠電需求的增加，都驅使著人們去投資小型儲能系統。特別是在德國，住宅用儲能系統的市場快速成長。在2016年末已經投入了50000組家用及商用太陽能電池儲能系統 [34]。呼應著電池成本下跌，這個市場接下來仍會持續成長。截至目前，許多儲能系統製造商正在澳洲、義大利、美國等地建造離散式儲能系統，這是未來幾年前景看好的市場 [24]。
離網(off-grid):
目前大約有10億人，佔世界人口13%，特別是在偏遠地區的居民，住在沒有電的地方，無電可用 [35]。遙遠的農場及礦場通常也沒有連接上電網，僅使用傳統的柴油發電機來提供電力。就算不管噪音、二氧化碳排放等問題，這些柴油發電系統高度仰賴穩定的燃料供給，而且受到柴油價格波動的影響很大。在過去十年間，越來越多的遠方企業開始使用再生能源科技(例如: 太陽能)來節省燃油消耗以達到降低製造成本的目的。增加電力儲存系統可以大大提高離網再生能源的使用率，提供遠處地點乾淨的能量來源。
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| 圖4 各種儲能技術對不同應用的適用性 [24]。Note: CAES = compressed air energy storage, LA = lead-acid, VRLA = valve-regulated lead-acid, NMC = nickel manganese cobalt oxide, NCA = nickel cobalt aluminium oxide, LFP = lithium iron phosphate, LTO = lithium titanate, NaNiCI = sodium nickel chloride, NaS = sodium sulphur, VRFB = vanadium redox flow battery, ZBFB = zinc bromine flow battery. |
參考資料
[1] IRENA, Chapter [3] of Perspectives for the energy transition - Investment needs for a low-carbon energy system, International renewable energy agency, IRENA, 2017.
[2] IRENA, REmap: Roadmap for a renewable energy future, 2016 Edition, Abu Dhabi, International renewable energy agency, IRENA, 2016.
[3] R. Kempener, G. de Vivero, Renewables and electricity storage. A technology roadmap for REmap 2030, International renewable energy agency, IRENA, 2015.
[4] S. Rehman, L.M. Al-Hadhrami, M.M. Alam, Pumped hydro energy storage system: A technological review, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 44 (2015) 586.
[5] M. Budt, D. Wolf, R. Span, J.Y. Yan, A review on compressed air energy storage: Basic principles, past milestones and recent developments, Applied Energy, 170 (2016) 250.
[6] J. Moura, Assessment of the north American bulk power system - A reliability perspective on future needs and challenges, IEA, 2013.
[7] NERC, Special report: accommodating high levels of variable generation, NERC, 2009.
[8] 台灣經濟研究院, 北美電力可靠度公司 (NERC) 公布美國輸電系統可靠性報告, 台灣經濟研究院, 2015.
[9] A.A. Akhil, G. Huff, A.B. Currier, B.C. Kaun, D.M. Rastler, S.B. Chen, A.L. Cotter, D.T. Bradshaw, W.D. Gauntlett, DOE/EPRI electricity storage handbook in collaboration with NRECA, in: U.S.D.o. Energy (Ed.), Office of Scientific and Technical Information, United States, 2015.
[10] C. Choi, S. Kim, R. Kim, Y. Choi, H.Y. Jung, J.H. Yang, H.T. Kim, A review of vanadium electrolytes for vanadium redox flow batteries, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 69 (2017) 263.
[11] A. Cunha, J. Martins, N. Rodrigues, F.P. Brito, Vanadium redox flow batteries: a technology review, International Journal of Energy Research, 39 (2015) 889.
[12] Z.G. Yang, It’s big and long-lived, and it won’t catch fire: The Vanadium redox-flow battery, IEEE Spectrum, 2017.
[13] T. Lombardo, Massive 800 MegaWatt-hour battery to be deployed in China, engineering.com, 2016.
[14] P. Maloney, Flow battery developer to build world's largest battery storage system, Utility Dive, 2016.
[15] T. Xu, W. Wang, M.L. Gordin, D.H. Wang, D.W. Choi, Lithium-ion batteries for stationary energy storage, JOM, 62 (2010) 24.
[16] X. Luo, J.H. Wang, M. Dooner, J. Clarke, Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation, Applied Energy, 137 (2015) 511.
[17] G.V.S. Vulusala, S. Madichetty, Application of superconducting magnetic energy storage in electrical power and energy systems: a review, International Journal of Energy Research, 42 (2018) 358.
[18] P. McKenna, Superconducting magnets for grid-scale storage - Magnetic-field energy storage could have unique advantages, but scaling up will be a challenge, MIT Technology Review, 2011.
[19] D. Sutanto, K.W.E. Cheng, Superconducting magnetic energy storage systems for power system applications, 2009 International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices, IEEE, Chengdu, China, 2009, pp. 377.
[20] W. Buckle, W.V. Hassenzahl, Superconducting magnetic energy storage, IEEE Power Engineering Review, 20 (2000) 16.
[21] R.W. Boom, Superconductive magnetic energy storage for electric utilities-a review of the 20 year Wisconsin program, Proceedings of the 34th International Power Sources Symposium, IEEE, Cherry Hill, NJ, USA, 1990, pp. 1.
[22] J. Hsu, Texas town installs a monster battery for backup power - The sodium sulfur battery is the largest of its type, Popular science, 2010.
[23] D. Kumar, S.K. Rajouria, S.B. Kuhar, D.K. Kanchan, Progress and prospects of sodium-sulfur batteries: A review, Solid State Ionics, 312 (2017) 8.
[24] P. Ralon, M. Taylor, A. Ilas, H. Diaz-Bone, K.-P. Kairies, Electricity storage and renewables: Costs and markets to 2030, IRENA, 2017.
[25] F. Lambert, Tesla’s giant battery in Australia made around $1 million in just a few days, Electrek, 2018.
[26] E. stein, 南澳燃煤電廠跳閘，特斯拉電池「瞬間」出手解救送出 100 MW 電力, TechNews Inc., 2017.
[27] G.J. May, A. Davidson, B. Monahov, Lead batteries for utility energy storage: A review, Journal of Energy Storage, 15 (2018) 145.
[28] R. Wagner, M. Schroeder, T. Stephanblome, E. Handschin, A multifunctional energy-storage system with high-power lead-acid batteries, Journal of Power Sources, 78 (1999) 156.
[29] R. Wagner, Large lead/acid batteries for frequency regulation, load levelling and solar power applications, Journal of Power Sources, 67 (1997) 163.
[30] A.A. Press, South Australia turns on Tesla's 100MW battery: 'History in the making', Guardian News, 2017.
[31] C. News, Tesla's massive battery in Australia is ready for testing - Elon Musk promised to build the battery within 100 days or it would be free, CBC News, 2017.
[32] T.T. Team, Tesla Powerpack to enable large scale sustainable energy to south Australia, Tesla, 2017.
[33] admin, PV 101: What does “Behind The Meter” mean?, PPC Solar.
[34] A. Bräutigam, T. Rothacher, H. Staubitz, R. Trost, Fact sheet - The energy storage market in Germany, GTAI, 2017.
[35] SDG7 tracking: The energy progress report 2018, The world bank, 2018.
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