專業 物理

儲能裝置新進展

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撰文者:薛康琳、黃明輝
發文日期:2016-06-06
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  • 綠能是未來能源的重要發展方向,但多為間歇性能源,大量推廣使用時必須搭配儲能裝置,才能維持穩定供應。本文分別介紹化學性與物理性的的儲能裝置,讓讀者了解推廣綠能的關鍵因素與未來發展方向。

    1. 綠色能源與儲能

    綠色能源或再生能源是全球未來能源的發展趨勢,其中兩種主要方式風力發電與太陽光電受天候環境的影響,發電量變化很大。未來這類能源併網量增加到現有電網電量的5-10%就會造成電網的不穩定;例如德國在福島事件後停止核電廠運轉,光是2011年,德國超過3分鐘的停電次數累計高達20萬次以上[1]。這種斷電問題需要儲電設施來穩定電壓。另外也可使用儲能系統將夜間離峰時多餘的電力儲存,在白天時釋放電能補充,此效用稱為削峰填谷,如圖1所示[2]。此外智慧電網、微電網的發展,電動車輛的普及都需要大電力調配的儲能設施。

    儲能設施可分成物理性與化學性兩種。第2節將先介紹物理性儲能,包含抽蓄水力、超級電容、與飛輪。第3節介紹化學性儲能,第4節介紹氫能與燃料電池。

    圖1:四季日負載曲線
     

    圖1:四季日負載曲線與儲能系統的削峰填谷作用。(資料來源台灣電力公司)

    2. 物理性儲能

    現全球99%的儲電是以水力抽蓄發電達成。台灣在1985年興建明湖抽蓄水力發電,以位於於南投的日月潭為上池、明湖及水里溪為下池,裝置容量設計為1000 MW。1995年再度擴大規模,以日月潭為上池,明潭水庫作為下池,上下池位差約380公尺。明潭抽蓄水力發電廠裝置容量約1,600 MW,為全球第九大的抽蓄水力發電廠。兩部抽蓄儲電總容量超越一座核電廠,平日尖峰時約可提供4.8%電力[2],穩定台灣電力運作。

    水庫儲電需要特殊地理環境,兩個水庫距離近、落差大的,占地幅員廣闊。它的建置對生態環境影響很大,無法隨意設置。台灣已無合適空間再增置抽蓄水力。也有人提倡利用高樓的微型化抽蓄水力機組,但容量有限,只能當成小社區型的穩壓設施,難以大量推廣。

    電容器是很簡便的電荷儲存裝置,近年來新穎介電材料與電極的出現,使電容的容量有快速發展,形成超級電容。即便是如此,超級電容只能取代充電電池,取其可充放電次數遠高於化學性的充電電池。超級電容的另一優點是功率密度高,可以在短時間使用大電流充放電。適用於電動車啟動瞬間的大電流,或者接收煞車時動能回收的電流。

    飛輪是利用轉動時角動量守恆以保留能量,搭配線圈與磁場,即可成為發動機或發電機。飛輪也是大功率密度的儲能裝置,而且能量密度比超級電容大,故更適合於較大型的交通工具,例如:鐵路列車。但因為大型的飛輪裝置重量仍是一大障礙;磁懸浮承軸是克服軸承摩擦力的主要技術,但維持磁場的電流也會降低儲電量。未來發展趨勢是配合超導磁鐵,就可以達到更高的能量密度。

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