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儲能系統、技術、設備詳解,臺灣面對缺電、停電的轉型關鍵!

2022 / 09 / 22
 
再生能源搭配儲能系統案場示意圖
台電拋出 5000 多億電網商機,投資儲能是切入能源、減碳行列的最佳管道之一。 (來源:Unsplash)
 

結束疲勞的一天回到家中,換上家居服,打開電視、空調、風扇,慵懶躺在沙發享受從冰箱拿出的冰涼啤酒,這可能是許多人都很熟悉的場景,插頭一插就有電是台灣人民習以為常的方便。台灣在世界銀行 2020 年經商競爭報告中,電力取得項目世界第九名,電價卻是世界第四低,僅高於墨西哥、中國及馬來西亞,可說是 CP 值非常高,又穩又便宜。

然而穩定又價廉的電力背後,將面臨一連串結構脆弱問題。從發電端來看,核電廠退役、大潭天然氣發電廠延期,未來 2~3 年台灣發電端將缺少近 6 % 備用容量率。除此之外氣候變遷帶來的極端氣候,也讓需求端預測更加困難。 513 停電時,氣溫異常飆升,實際用電需求約超過預測值 170 萬瓩,無疑讓原就捉襟見肘的備用容量更加緊繃。

 

電力輔助服務的救援投手:儲能系統

面對再生能源占比提高、其電力供給的間歇性、隨機波動性,與未來電動車產業可能造成無法預期的電力消費突增,都有可能使區域電網電壓不穩定、系統頻率驟降,影響供電可靠度,因此自動需量反應成為管理電力需求的一大解方。

然而除了電力需求面的抑制管理外,當電力供給面不穩、機組臨時出狀況時,如何配置足夠的電力供給應對措施,使發電及負載得以維持平衡、確保系統穩定,也是「電力輔助服務」另外所需扮演的關鍵救援角色。

 

電力市場常見的輔助服務,分為下列兩種,也總稱為虛擬電廠。

 

1. 需求面管理 – 自動需量反應 ( Auto Demand Response)

隨著科技與基礎建設創新,電力輔助服務開始迭代進化,例如在前篇「區域間能源調度的微血管—虛擬電廠扮演的核心角色」的自動需量反應 (ADR) 便是一種服務形式。別於傳統需量反應,透過訊息通知,請求用戶降低電力用量。自動需量反應 (ADR) 是藉由 IOT gateway 根據電網即時用電資訊,自動抑制用電戶的電力用量。藉由控制大型耗電電器,如熱水器加熱時間、冷氣空調溫度等,可大幅降低尖峰時刻時的電力需求,且所需的反應時間遠遠快於傳統需量反應。

而實現即時自動需量反應,智慧電表建置成為未來不可或缺一環。現今台灣需量反應大多針對特高壓與高壓用戶,期望透過降低高壓用電戶尖峰用量,維持電網平衡。然而夏季尖峰用電時段其實半數以上的用電量是來自於低壓用戶,若智慧電表未來也佈建置廣大一般家戶,所提供的即時用電資訊,使自動需量反應的彈性以及可靠性更好。

 

2. 供給面管理 – 儲能系統調度

儲能系統結合現今電動車產業發展,蓄電技術持續進化,未來亦有望成為電力市場輔助服務的電力供給來源。以日本為例,待 2030 年智慧電表等基礎建設佈建完成,電力有望不再是單項集中式輸配,而是可透過電網將電力回流的區域電網。當電力供給不穩時,只需家中電動車將電力回輸電網,六百台電動車可貢獻之總電力,約等同台中火力發電廠每小時發電量,對於電力公司也有更多彈性調度手段可以維護電網安全,而用戶端也可透過補助服務賺取額外的收入。

 

儲能系統為什麼很重要?

目前日前輔助市場可交易的商品分調頻、即時、補充備轉 [註1] 3 類。這些機制簡單來說,就是當發電端或需求端突然有大變動時,可緊急救援電網平衡的王牌投手。而儲能系統、需量反應、發電機組及自用發電設備,則是不同投手所擅長使用的球種。

其中發電機組與自用發電設備擁有者,多抱持觀望態度。已簽訂再生能源購電協議 (Power Purchase Agreement;PPA) 的民營傳統電廠與台電簽約收購價已包含輔助服務費用,因此除非具備高獲利機會,才會擴大機組與儲能參與。而自發用電則多屬於大型工廠,除消防法規規定之發電機外,一般亦會準備大型發電機組,較具備參與電力交易潛力,但積極參與者數量不多。因此以短期來看,輔助服務市場主要手段還是以儲能系統與需量反應為大宗!

 

儲能、儲能系統技術

儲能技術在電力系統中的應用相當廣泛,大致可分為發電端、電網端(輸/配電)、用戶端等三大應用類別。其中在現今儲能議題中最常被討論的,莫過於發電端之應用如:電能移轉、能源管理、簡化發電計畫及減少備轉容量需求等;而最為企業所關注的電費成本節省,或最大化能源使用效率等議題,則是儲能在用戶端的應用,如:不間斷電源(UPS)、需量管理或結合自用再生能源發電設備,搭配時間電價之策略,降低電費支出等。

由此可見,儲能技術所衍生的應用組合相當多元,又企業為何要搭上這個當今最具發展力的能源成長股?以下兩個關鍵原因剖析。

關鍵一:儲能投資門檻下修 預估 2025 年成本下修至少 25%

作為一個電力暫存裝置,你可以想像儲能是一個放大版的電池,又隨當今綠能占比逐漸提高的情況下,直觀而言,其最大的優勢在於,儲能設備能彌補再生能源的波動及間歇性,而其靈活性,也在碳中和下的新型電力系統中扮演要角。

儲能依其介質可分為許多類型,目前以機械儲能及化學儲能的應用最為廣泛,其中化學儲能自 2018 年以來全球安裝呈倍數增長,2020 年全球新增的儲能安裝機組中,化學儲能甚至超過 80%。隨鋰電技術發展純熟,除電池循環壽命逐漸延長外,原物料價格下降等因素皆快速推進儲能商業化發展。

關鍵二:政府支持與補助,助儲能系統設備佈建一臂之力

台灣因整體電價較便宜,以儲能所做時間電價差上的調度有限,然今年但對於部分用電大戶產業而言,導入儲能系統所省下的電費仍是可觀。如今台電也效仿全球各國能源轉型模範生,建立電力交易平台,打造電力共享經濟,鼓勵民間儲能資源投入輔助電網,同時獲得額外收益。地方政府也響應國家能源轉型目標,紛紛提撥預算補助,以鼓勵並促進轄區內業者投入設置儲能系統,此舉無疑大幅緩解了儲能設備初期高成本的致命傷。

然政府大力支持儲能設置,台灣也並非先例,在全球極端氣候及戰爭政治力影響下,能源價格持續飆升,全球多國政府,也早已將儲能納入永續能源物聯網一環,紛紛展開雙臂迎接能源廠商佈建儲能設備,如 Tesla SolarCity 自 2021 年至今,已於日本沖繩宮古島家庭中裝設 300 多個 Powerwall 蓄電池, Powerwall 作為家用儲能設備,在颱風天斷電時,啟動暫存的電力以執行調度,開創日本首個具商業用途的虛擬電廠,是目前國際間具指標性的永續能源生態系示範案之一,日本經濟產業省(METI)也劃撥將近 9830 萬美元給安裝鋰電池儲能系統的家庭和商戶,補貼高達 66%,在官方的大力支持下,逐步提高民間對儲能的接受度,並以全國普及設置為發展目標。

 

借鑑國外儲能系統、技術案例,多元應用潛能無限

而隨著儲能技術發展日趨成熟,近來各國也出現各式充滿新意的破格應用案例。

案例一:新加坡蓄冷儲能系統

新加坡能源市場管理局 EMA,和新加波集團規劃於新加坡 George Street 變電站試行蓄冷儲能系統 (ESS),這是史以​上第一個在區域供冷網系統外設置獨立蓄冷儲能系統的案例。未來於電力需求尖峰時,該系統將為新加波集團運營的濱海灣區域供冷網絡增加多達 1,500 冷噸 (RTH) 的冰蓄冷能,等於減少高達 2MW 電力的負荷,相當於新加坡170 間四房式組屋,一天的用電量。透過此蓄冷儲能系統,將解決太陽能間歇性問題,平衡電力供需。

 

冷儲能系統示意圖 (來源:Pexels)
 

案例二:微軟氫燃料電池備用電源

微軟近期對外公開了一套 3MW 的氫燃料電池系統,該系統由 Plug Power 打造,放置於紐約的 Plug 總部停車場,該系統的體積大約是兩個 40 英尺的集裝箱大,未來將用於微軟數據中心所需之備用電源,替代以往的大型柴油發電機組。Plug 計劃創建一個商業化版本的大功率固定式燃料電池系統,該系統將比停車場試驗台更小巧精美。「從一個機架到一個房間,最後到一個數據中心。」如今微軟也加入投資儲能行列,朝 RE100 里程碑邁進。

微軟於 Plug 總部設置的 3MW 氫燃料儲能系統空拍照。 (來源:微軟官方網站)

 

綠能發展進行式,儲能系統、設備成最佳拍檔

目前台灣的儲能設備仍以化學性儲能為主,追隨國際能源轉型趨勢的同時,儲能設備儼已成為最佳助攻手,期待未來台灣有更多元的儲能系統加入調度行列,依照其電池特性,分別提供不同時間段的電力支援,如此不但有望解決目前最棘手的第二尖峰用電(18:00~20:00)問題,同時亦助力企業 ESG 發展於能源策略佈局之多樣性。

未來儲能若要實現大規模應用並落實民間普及,仍需在安全、成本及性能等各方面追求均衡,因此建立更全盤的儲能設備標準,將有助推動能源及永續相關行業,健全有序地發展。綜合上述觀點及實證應用案例,現在正是企業投資儲能進場的好時機,最後,引用能源政策思想家 Amory Lovins 的話,與能源轉型路上的夥伴們共勉:「關於能源,回顧過去,我們才意識到它原始的程度令人震驚。但我們發現,當對這一切累積的了解越多,節省的成本將越大。」

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顏哲淵

顏哲淵

NextDrive聯齊科技創辦人兼執行長,產品榮獲日本ET/IoT Technology大賞特別獎與Good Design產品設計獎。曾任Ninecom創辦人兼執行長、美商Fresco Logic台灣區總經理,專注於能源管理服務與分散式能源議題,期望透過物聯網、雲端和大數據,創造每度電都被善加利用的智慧生活。