全世界成長最迅速的儲能系統不是超級電容儲能,竟然是…?

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(圖片來源:Gogoro)

  上一篇《全世界最大的儲能系統不是Tesla的鋰電池儲能廠,竟然是…?》我們介紹了儲能方式有三,分別是物理儲能、電磁儲能、電化學儲能,物理儲能包括抽蓄水力儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能。

  在我們接著介紹電磁儲能之前,我們先釐清一個很重要的基礎概念,才有辦法正確理解下表。一般人在接觸儲能技術時,對於儲能技術的功率(瓦)與容量(瓦時)的概念容易混淆。首先我們必須了解其含義:功率是指在驅動負載時,對電力大小的需求,也就是單位供電速率;容量則是總儲存電量,對應負載的放電時間長短。功率必須足夠才能夠驅動負載,如果一顆電池功率很小,不足以帶動馬達運轉,那麼再大的儲能容量也無用武之地。當基本功率可以滿足時,才有機會考慮維持在負載功率下的工作時間長短,也就是對於總儲能容量的需求。

種類 典型額定功率(kW) 額定功率下的放電時間 特點 應用場景
物理儲能 抽蓄水力儲能 100,000~2,000,000 4~10小時 合適大規模儲能、技術成熟、充放電速度中等、受地理條件限制 調峰、日負載調節、頻率控制、系統備用
壓縮空氣儲能 10,000~300,000 1~20小時 合適大規模儲能、充放電速度慢、受地理條件限制 調峰/調頻、系統備用、平滑可再生能源功率波動
飛輪儲能 5~10,000 1~1,800s 壽命長、無污染、成本高 調峰、頻率控制、電壓控制、不斷電電源
電磁儲能 超導儲能 10~50,000 2~300s 充放電速度快、需要低溫條件才能運行、成本高 輸配電穩定、抑制震盪
超級電容儲能 10~1,000 1~30s 充放電速度快、成本高 頻率控制、電壓控制
電化學儲能 鉛酸電池 幾千瓦~幾萬千瓦 幾分鐘~幾小時 技術成熟、成本低、壽命短、存在環保問題 備用電源、全黑啟動
鋰電池 幾千瓦~幾萬千瓦 幾分鐘~幾小時 能量密度高、壽命與安全問題仍需要持續改善 頻率控制、電壓控制、備用電源、平滑再生能源功率波動
液流電池 5~100,000 1~20小時 壽命長、可深度放電、便於組合、環保、能量密度稍低 備用電源、平滑再生能源功率波動
鈉硫電池 100~100,000 數小時 需要高溫條件才能運行、安全問題有待改善 頻率控制、電壓控制、備用電源、平滑再生能源功率波動
鋁電池 幾千瓦~幾萬千瓦 幾分鐘~幾小時 能量密度稍低、安全性高 備用電源、全黑啟動、其他對能量密度要求不高的應用

(表一)三種主要儲能方式比較表
資料來源:謝芳吉

  除了物理儲能方式之外,第二種是電磁儲能。電磁儲能包括超導儲能和超級電容儲能。超導儲能是把超導材料製成的線圈放在臨界溫度的容器中,在這麼極端溫度的環境之下,超導體內的電阻是零,傳輸電能時不會有電力損失,能量就以超導線圈中循環流動的直流電儲存在磁場中。

  但是為了要實現超導儲能,它需要耗費能源創造出臨界溫度的環境,實在是太貴了,也不夠環保,而且能儲能的時間非常短,雖然已有超導儲能產品可用,但在電網中應用很少,大多是試驗性的。

  超級電容儲能則是採用特殊電極結構,使電極表面積增加幾萬倍,從而產生很大的電容量,技術特點是充放電速度快,可循環使用次數高,用在公車或捷運上,能夠在加速時快速放電,在刹車時回收能量,即使頻繁加速、刹車也不會影響電池壽命。

全世界成長最迅速的儲能系統是電化學儲能,其中又以鋰電池儲能最具冠軍相

  最熱門的就是電化學儲能,這是近年來發展最迅速的儲能類型。2018年可以說是電化學儲能的元年,也是集中爆發的一年,因為從全球角度來看,2018年電化學儲能裝機容量達到6,625MW,跟去年同期相比成長126.4%;在儲能市場中,其市佔率從2017年1.67%提高到2018年的3.7%。

  電化學儲能的種類非常多,表一我們整理幾個比較常在新聞中看到的如鉛酸電池、鋰電池、液流電池、鈉硫電池、鋁電池,之前的文章《如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命?》有說明鉛酸電池和鋰電池的原理,同時我們提到,鉛酸電池挾帶非常低廉的成本優勢,大量使用在動力電池例如汽機車的啟動電瓶、電動自行車,以及儲能電池如不斷電系統等。但其問題在於使用壽命短,不環保。

  鋰電池最大的優勢就是能量密度高,製造成本隨著電動車市場的規模效應而不斷下降,是目前電化學儲能應用最多的電池。

  液流電池有好幾種,我們最常聽到的是全釩液流電池。技術特點是使用壽命長、充放電性能良好、容量也可達MW級,適合於應用在電力系統中,但製造成本較高。

  鈉硫電池的技術上有個前提,其電池的運行溫度需保持在300℃以上,以使電極處於熔融狀態。再加上製造成本也高,因此比較少大規模應用。

  另一個是最近新聞常出現的鋁電池,鋁、石墨這種材料產量豐富,量產時,較其他電池便宜,而且壽命長、沒有有機溶劑在其中。它的缺點就是能量密度不夠高,所以要慎選應用場景。

天生我才必有用,各種儲能電池技術都有其合適的應用場景

  在《如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命?》文章中,我們談到六個判斷電池技術潛能的基本邏輯:能量密度高、壽命長、充放電速度快、耐熱耐寒、安全性高、達到可商業化的成本。

  對儲能電池來說,有三大應用場景——電力系統、汽車與家用,這些場景需要的電池功能強項不盡相同,例如抽蓄水力儲能、壓縮空氣儲能的能量密度不算高,且佔地空間大,但對發電端儲能、電網端儲能就挺有幫助。所以我們在選擇投資或使用儲能電池的技術時,要先接受一個思維前提:這個世界上沒有一種完美的儲能技術,我們只是在不同的應用場景裡做了選擇。天生我才必有用,各種儲能電池技術都有其合適的應用場景,有它的優勢也有它一定的限制。

  從上一篇讀到這裡,我們可以得到三個知識升級,幫助你判斷哪種儲能技術在高手擂台上最有戲,

1. 全世界最大的儲能系統不是鋰電池儲能廠,而是抽蓄水力儲能廠,而且短期來看它的主導地位不會改變
2. 全世界成長最迅速的儲能系統是電化學儲能,其中鋰電池儲能是目前高手擂台上最具冠軍相的選手
3. 天生我才必有用,各種儲能電池技術都有其合適的應用場景

  接下來,我們將討論儲能電池產業的發展狀況,以及提出我們對於臺灣發展儲能產業可能的解法。

Lithium Ion Secondary Battery Energy Storage

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