電子時報:智慧電網儲能技術方案

2012-11-28 陳毅斌

自20世紀初起,人類社會進入電力世界。演變至今,電力基礎設施影響並反映著一國發展的興衰。然而逐年飆升的電力需求已讓既有電力供應系統難以負荷。據統計,若要追上全球的電力需求總量曲線,相當於在接下來的20年,必須以每週新增一座1GW電廠的速度來增設相關基礎建設。同時間,各國皆面臨沉重且刻不容緩的減碳壓力,因此走向智慧電網的趨勢已是不爭的事實。根據ABB的智慧電網觀點,未來電網必須滿足容量(capacity)、可靠度(reliability)、效率(efficiency)與永續性(sustainability)等四方面的需求。透過提高效率,節約能源,併入再生能源,以經濟可行的方式來滿足龐大電力需求。

智慧電網技術除了要創能、節能之外,相當重要的一環乃是儲能。由於再生能源發電的間歇性與波動性,難以與電力供應的「連續性」與「穩定性」搭配得宜,因此儲能設備做為一個調節角色,成為系統中不可欠缺的重要部分。換言之,為補足、吸收日光與風力上的發電缺口,儲能設備需具備相對應的備載容量及瞬間的電力供給能力,以儲存電能和接收瞬間電源產生時的緩衝。更重要的是,儲能設備可平穩電壓、改善再生能源併網後產生的電力品質不佳問題。一般而言,再生能源發電系統可分為併網型與獨立型,當併網型再生能源發電量佔總發電量一成以上,其系統可靠度與衝擊將會對公共電網產生威脅,故而必須設置儲能設備。一般家戶或小型併網系統則不需要。而獨立型供電系統,多半設置於偏遠地區或電網難以普及之地,做為重要的備援系統,儲能設備則不可或缺。

更廣泛地從應用面來看,在工業用途上,儲能系統除了做為緊急備用電源系統外,其關鍵的功能在於為其他機器設備、工業電腦等爭取足夠的緩衝時間,以減少因突然的電力中斷所造成的營運損失與資料毀損,例如擁有為數眾多直流伺服器的資料中心(data center)便是代表性的應用實例。在民生用途上,多半和再生能源發電系統與住宅建築整合設計。特別是日本福島核災之後,更有從大型儲能系統逐步擴散至家戶儲能裝置的發展趨勢。以小型而分散化的能源架構,讓能源供給更獨立,並平衡離尖峰用電,或讓閒置電力可支援高耗電的區域。

綜觀目前開發中的儲能技術分別有電化學儲能的各類電池、電學儲能的超級電容器、動能儲能的飛輪系統、位能儲能的抽蓄水力儲能(pumped hydro energy storage)與空氣壓縮儲能 (compressed air energy storage)等。然而從成本與技術成熟度的考量,電池成為商品化程度最高的解決方案。以今年八月於瑞士正式商轉的Dietikon電廠為例,該電廠安裝了1MW的電池儲能系統,為目前接入中壓輸電網絡的最大容量。由ABB提供的這套儲能系統,預計可儲存500kWh,相當於四人小家庭的四十天用電量。在談到這項合作案時,EKZ電力公司表示:「蓄電容量、高低壓穿越(high and low voltage rid through)、系統穩定度與高轉換效率等,是選擇儲能系統的重要因素。」特別是電力供給的穩定度,當系統與電網間的連接切斷時,透過儲能系統的「孤島運行模式」,維持當地電源的正常供給。而當系統與電網恢復連接時,則可自動同步電壓與頻率。在微電網架構中,更需具備全黑啟動功能(black start capability),以確保供電無虞。

回到最初始的電力供需問題,由於供需間的不平衡,以及氣候變遷下的永續發展目標,百年來顯有變動的電網世界需要轉變。更彈性多元的能源供給;更即時的供需回應;更安全可靠的智慧電網。隨著各項科技的推陳出新,可預期的是,在不久的將來,插座後的世界將變得更有趣。

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