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未來儲能將有更多選擇

文/陳祈典 任職經濟部國際合作處

全球主要國家的電網結構在這二年起了翻天覆地的變化,因電力儲存的規模小且成本高,以往電力市場是走鋼索式的平衡,配合電力需求生產約略相當的電量,由核能、燃煤等基載發電及燃氣、抽蓄式水力等尖載發電各司其職。但隨著再生能源占比提升,為了解決其間歇性發電不穩定的問題,搭配儲能扮演「救援投手」成為當今市場上的熱門生意。

特斯拉很早就看出電網級儲能的趨勢,從2015年開始投入能源領域研發,在電池成分、包裝及配置、電池管理系統及散熱等擁有獨到技術,並已完成加州、夏威夷及澳洲等大型案場建置。

電池可在不到一秒時間內從零提高至全輸出,即時穩定電網的頻率與電壓,這是其他儲能裝置所無法做到的,且未來電力取代化石燃料成為能源主流的趨勢明顯,「若所有交通工具都轉為電氣化,電力需求將提高為二倍,若供暖系統也改為電氣化,則電力需求將提高為三倍」,馬斯克說,「我認為長期特斯拉能源與特斯拉汽車的規模將大致相同,且全球的能源業務會大於汽車業務」,顯示未來對儲能的需求殷切。

在當今儲能方式中,抽蓄水力占90%以上,但抽蓄水力需要足夠的高度差使水推動渦輪發電,目前很難再找到適合的建置地點,未來成長性不高。電化學電池則是成長最快的項目,並以鋰電池為大宗,如同2019年諾貝爾化學獎的頒獎詞「鋰電池已徹底改變了我們的生活,從手機到筆電和電動車,鋰電池無處不在」,鋰電池擁有出色的循環次數、能量密度、使用壽命及體積小巧,逐年降低的成本也讓大規模設置變得可行,並可與再生能源完美搭配。目前鋰電池每度(千瓦時)製造成本約137美元,預計三年後降到100美元,2030年降至73美元,按此電動車售價將能與汽油車競爭,相同里程的充電成本也較低。

儘管如此,鋰電池仍面臨充電時間過長、工作溫度範圍較窄、能量密度不足導致重量偏重、安全性疑慮、貴金屬缺乏、充電效能逐漸減弱及成本仍高等限制,對此特斯拉尋求技術突破及更低成本的金屬配方,以解決上述問題,並計畫延伸至上游採礦業務,尋求更環保、更有效率的開採方式及更充足的礦源。鋰電池的限制也讓其他新興儲能技術有機會在不同需求下提供更好的解決方案,例如鈉電池、氫燃料電池、混凝土儲能、壓縮空氣儲能及電動車電力回輸電網等。

鈉電池是以鈉離子取代鋰離子在電池正負極間移動運送電子,鋰原子是最小的金屬元素,鈉原子次之,化學性質相似,但鈉原子較大,較不易鑲崁在負極石墨中,且鈉移動速度較慢,可輸送的電子較少,使充電時間較長,能量密度也較低,但成本比鋰電池低30~40%是一大優勢。鈉礦在地球的蘊藏量比鋰礦多許多,光海水裡就有豐富的氯化鈉可提煉,最近的研發技術有重大突破,縮短充電時間並增加能量密度,未來或能占有部分市場。

混凝土儲能與壓縮空氣儲能也都是有創意的概念,混凝土儲能的靈感來自抽蓄水力發電,屬重力儲能,因混凝土的密度是水的四倍,理論上僅要提升1/4的高度就能產生相同能量,且混凝土的成本低廉,若透過起重機將混凝土塊吊起儲存能量,等需要電力時放下,其下墜力量可帶動渦輪發電。但有專家認為強風可能影響混凝土上下擺放的精確度造成崩塌,且此方案需要較大空間恐不適合都市地區,或可考慮利用廢棄的垂直礦井建置以降低成本及風險。

壓縮空氣儲能則是將空氣壓縮在大型儲罐中,需要用電時再將其釋放,透過氣體推力推動渦輪發電,若設計良好1公斤氣體可釋放180公斤的推力。此方式的優點是壓縮一般空氣,不需額外購買特殊氣體,且釋放到空氣中也不會產生污染問題;其電能轉換效率目前雖僅40~60%,但使用壽命可達50年,效能也不會衰退,長期成本可低於鋰電池。另空氣壓縮時會產生熱,若能妥善利用可進一步降低儲能成本。

可預見的未來,儲能將成為電網不可或缺的夥伴,且將有更多選擇應運而生。

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