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能源小學堂

穩定電力系統的關鍵基石:儲能系統

2021/08/31

根據能源顧問諮詢公司Wood Mackenzie的報告顯示,全球儲能系統市場將以 31% 的複合年增長率 (CAGR) 成長,並於2030年達到741GWh的累計裝置容量[註1]。伴隨全球再生能源以及電動車的快速發展,儲能系統扮演著提升發 電系統效率的關鍵角色,而隨著夏季用電大季的到來,協助穩定提供充足的電力更是儲能系統的重要使命。

然而,儲能系統的功用不僅能將電力儲存起來並在需要的時候提供補給,不同的儲能方式及應用技術更是多元。發展至今,儲能系統有甚麼樣的優勢、可分為哪些類別、各國在電力監測時所使用的系統以及台灣近期在儲能上的發展又是如何呢?就讓本期能源小學堂,帶領大家認識「電力儲能系統」的世界。


(隨著再生能源在全球快速成長,儲能系統能有效將其產生的電力儲存後再利用 / 圖:iStock)

電力儲能系統:削峰填谷穩定電網
近年來,隨著再生能源裝置容量的增加及其發電間歇性的特色下,緩衝電網是電力儲能系統不可或缺的功能。由於再生能源如太陽能、風能在生產電力的過程容易受到自然環境影響,儲能系統能夠將其產生的多餘電力儲存起來並在需要時即時釋放,達成削峰填谷作用,提升供電效率。同時,儲能系統也有助於調節並維持電網的平衡。當電網中的頻率超過平均(供電過於用電時),它能吸收電網中額外的電力,而當頻率低於平均時則能釋放電力,補足不足的電力,穩定台灣電網維持在60Hz的頻率。

「即時性」更是儲能系統的重要優勢之一:相較傳統石化燃料的發電廠需要更長的時間啟動,現在的儲能系統可以迅速反應並且釋放電力。當電力負載達到高峰而備轉容量不足時,儲能系統提供了重要儲備功能,透過快速補給滿足能源需求,對於確保電網的穩定性和安全性相當重要。


(儲能系統能利用快充快放的特性平衡電網頻率,穩定電網的用電波動 / 圖片來源:EnBW)

產業界持續發展的多元儲能技術方式
透過不同的儲存技術,我們可將儲能系統分成下列幾種儲能方式[註2]:

熱儲能:即使在夜晚沒有陽光照射的情況下,也可以利用太陽能發電,例如聚光太陽能發電廠可於白天有光照時從太陽獲取熱量,並將能量儲存在水、熔鹽或其他材料中,進而在日落之後將這些儲存起來的能量轉換成電力使用

氫儲能:「氫」是一種可用於發電的零碳排燃料,透過水電解作用,可將由太陽能或風能所產生的電力製造成氫,將其儲存後用於燃料電池或發動機中來發電,而副產品只有水,不會產生碳的排放。

壓縮空氣儲能:利用離峰時段的電力壓縮空氣並將其儲存於地下洞穴中,當電力需求高的時候,壓縮空氣則能膨脹後通過燃氣輪機發電。

抽水蓄能電站:抽水蓄能電站是目前最常見的儲能方式,能像巨型電池一樣存儲大量電量。這種特殊的水力儲能方式將水庫分為上、下兩層蓄水庫,當有緊急電力需求時,上層的水將輸送至下層,利用水位能來推動渦輪機,可在短短幾秒鐘內產生電力;而在離峰時期時,抽水蓄能電站用剩餘電量把水抽回至地勢較高的蓄水庫,作為儲備電力等待下一次的出動。

安能集團長期發展水力發電,我們目前擁有 67 座川流式水力發電站和抽水蓄能電站,其中抽水蓄能電站的裝置容量為 1.9GW。安能集團也計畫擴建位於德國福爾巴赫的Rudolf-Fettweis傳統水力發電廠。該廠目前由四個獨立運作的電廠組成,已運作超過百年的歷史。我們預計在福爾巴赫的水庫中增加一座洞穴式的儲存設施,同時打造一個全新的上層蓄水庫,完工後將增加約220MW的裝置容量,是原本產量的四倍[註3]。


(安能Glems抽水蓄能電站的上下蓄水庫俯視圖 / 圖片來源:EnBW)

電池儲能:有許多不同類型的電池都具有大規模儲能的潛力,包括鈉硫電池、金屬空氣電池、鋰離子電池和鉛酸電池等。其中鋰離子電池因其廣泛的儲能用途仍為市面上最主流的電池類型。鋰離電池的應用包括少量儲存幾千瓦之屋頂型太陽能能量型電池,到一箱箱貨櫃大小般能夠儲存百萬瓦等級的大型電池儲能系統。根據彭博社的預測,由於成本下降,鋰離子電池的市場需求將在 2018 年至 2030 年間以 10 倍的速度成長。

其他儲能方式 –「天然氣儲能設備」:透過將大量的天然氣儲存於設備中即能靈活依據用電需求調整供給。例如安能集團與EDF公司於2012年10月啟用位於德國的Etzel天然氣存儲設施,儲存量高達4億標準立方米的天然氣,一年可提供30萬個家庭用電;而當用電高峰時,儲能設施可以在每小時緊急供給60萬標準立方米的天然氣,相當於可同時供電給100萬個家庭[註4]。


(安能位於德國的Etzel洞穴式天然氣存儲設施 / 圖:EnBW)

儲能系統的啟動指標與儲能系統的新興技術
一般來說,電力警示系統決定了儲能系統該何時啟動來調度電力。在美國,不同的電力公司擁有相似的警報系統,例如美國德州的Electric Reliability Council of Texas (ERCOT)就設置了一系列漸進式的電力緊急程序,會在備轉容量低於標準時啟用。當儲轉容量低於2,300 MW或電網頻率在特定時間內無法維持平衡時,電力公司必須宣布能源緊急警報 (Energy Emergency Alert),依據備轉容量的多寡將能源緊急警報分為三個級別,應變措施即為調度所有能支援電力的資源,包含儲能系統或其他地區的電網[註5 ]。除此之外,美國能源資訊管理局(Energy Information Administration)也有提供不同地理位置,例如新英格蘭或南加州等的及時電力資訊[註6]。而在台灣,台灣電力公司則利用不同的燈號來審視用電與供電的關係,分成綠、黃、橘、紅、黑等用電警戒燈號,以備轉容量小於500MW時的黑燈最為嚴重[註7]。


(台灣電力公司的備轉容量率燈號說明 / 圖:台灣電力公司)

由於「調節電網頻率」是儲能的優勢之一,要如何在不同的儲能系統上增強這項功能已成為近日許多創新技術的研發目的,儲能自動頻率控制(Automatic Frequency Control, AFC)調頻服務即是其中一項新興技術。而隨著台灣再生能源發電的比例增加,台灣電力公司在2020年也啟動了亞洲第一個透過電池儲能系統(BESS)應用的儲能自動頻率控制調頻備轉輔助服務標案。該計畫如同為台灣新增一座「虛擬電廠」,不僅能大幅降低碳排放量,這些併網型儲能系統可同時智慧輔助電網,自動追蹤電力系統60 Hz的頻率變化,1 秒鐘內可釋出 15MW的即時電力,穩定台灣的供電系統。

隨著再生能源成為世界能源組成的重要來源之一,儲能系統將在未來發揮更大的作用。在政府和產業的支持下,儲能技術得以繼續發展和擴大市場潛力,幫助提升再生能源的使用,並在未來有效地儲存更多綠色能源。

參考資料

註1:
Wood Mackenzie – Global energy storage outlook: H2 2020
註2: Energy Storage Association – Technologies of Energy Storage
註3: EnBW – Forbach pumped storage power plant
註4: EnBW – Energy production storage
註5: Bandera Electric Cooperative – Energy Emergency Alerts FAQ
註6: EIA – New England Dashboard
註7:台灣電力公司–台電今日電力資訊

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