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穩定的巨型電池─抽蓄水力儲能系統

2016/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 2103

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撰文/李茗家
資料提供/International Renewable Energy Agency

由於再生能源發電具間歇性,在全力發展再生能源的同時,應該思考如何將電力儲存下來,以備再生能源發電供應不足時之所需。抽蓄水力儲能系統,就是選項之一!

水力發電自18世紀末由歐洲最先開發利用,並拓展至世界各國,它也是臺灣最早開發利用的再生能源之一。由於水力發電是水的位能與動能轉換為電能,完全無需使用燃料,且符合能源永續的精神,因此,可說是一項潔淨的再生能源。

臺灣雨量充沛,但高山河川坡度陡峭,豐富的水力資源必須建水庫儲蓄。水力發電曾是我國發電系統的主力,1905年,臺灣第1座水力發電廠建立於現在的新北市烏來區。臺灣水力發電廠經整併後僅存12所,由於水資源運用移轉至民生與工業使用,水力發電供電容量早已被火力及核能電廠超越,但水力發電的優勢,使其仍具有重要的地位。

水力發電的原理,就是於河流上游的適當地點建起一座水壩,攔截河川水流蓄水,順著輸水管路送至水壩下方水力發電廠,藉由水的「流量」及「落差」,推動水輪機轉動,進而帶動發電機產生電力。

儲存電力,轉換位能

水力發電的方式可以分為很多種,若以水源運用做為分類方式,臺灣具有川流式發電廠(依河川自然流量運轉)、調整池發電廠(和川流式發電廠類似,只是蓄水池之蓄水量較大)、水庫式發電廠(蓄水量很大,可以供發電廠配合電力系統下池之需求調度)及抽蓄式發電廠等,其中抽蓄式發電廠又兼儲能與發電兩種功能。

抽蓄式發電廠,又稱為抽蓄水力儲能系統,其與一般水力發電廠不同的地方在於,抽蓄式發電廠不僅可以發電,還能用來儲能。

抽蓄式發電廠運作方式,首先是設置2個大型的蓄水池,一個位於上游處,稱為上池,一般為水庫本身;另一個位於下游處,稱為下池,通常是一人工湖泊。由於電力系統在離峰時段的剩餘電力無法有效使用,因此利用火力、核能等電廠的多餘電力,將下池的水抽回上池,然後等到尖峰的供電時間再放水發電。這系統就如同超大型的天然電池,將剩餘的電力轉換為位能的型態儲存起來,用以發電。

全球儲能設備 以抽蓄水力儲能系統占比最多

根據國際再生能源總署(International Renewable Energy Agency, IRENA)2015年的報告顯示,目前全球儲能設備以抽蓄水力儲能系統占大多數(裝置容量約99%),整體來看,以歐洲地區最多(合計約41GW);若以國家別來看,以日本(26GW)、中國大陸(23GW)及美國(20GW)為最多,其次是義大利(7GW)、法國(7GW)、奧地利(5GW)、德國(5GW)及西班牙(5GW)等國家。

這些抽蓄式發電廠多數建於1970至1980年代之間,為因應當時調配核電廠基本發電之需求所建造。由於抽蓄式發電技術發展已相當成熟,因此對於未來建置成本並不會有顯著的影響。根據估計,現階段建置成本約落在每瓩2,000~4,000美元之間。

臺灣21年前就已跟上腳步

臺灣之地理環境適於運用水力,故我國早在日據時代就已開始利用水力發電,在儲能技術日漸發展成熟後,1995年位於南投縣水里鄉的明潭抽蓄水力發電廠竣工落成,水力儲能也成功在臺灣出現。明潭電廠總裝置容量達1,602MW,主要以日月潭做為上池,於水里溪建壩蓄水為下池,透過2條隧道引水,利用上下池間約380公尺的落差進行發電,是全球少數巨型抽蓄水力發電廠之一。

當初選擇建造抽蓄水力發電廠,是因為尖峰與離峰時段的用電量差異甚大,核能與火力發電廠又無法在離峰時段大量降低發電量,電力在離峰時段產生大量的浪費,無法妥善應用,亟需能夠儲存離峰電能的方法。而抽蓄水力發電系統猶如一個巨大的電容器,不僅可配合電力負載需求,將水力能源配合火力及核能基載發電運作,充分加以利用,達到降低發電成本,提高系統可靠度及設備利用率,同時能有效增加尖峰時間的供電量。

我國目前之尖載機組除了氣渦輪機組外,主要便是以台電公司明湖及明潭抽蓄水力電廠為主,前者有4部機組(合計1,000MW),後者有6部機組(合計1,602MW),總計有10部抽蓄水力機組,總裝置容量2,602MW。然10部機組均為固定轉速,抽水及發電運轉時無法調整速度及負載,應付系統緊急變動之彈性度較低。

未來仍有一段路要走

再生能源的發展已經成為全球必然的趨勢,也是臺灣能源自主的發展策略之一。但是,再生能源之間歇性發電問題,對於想要發展大型再生能源的臺灣,將是未來需要克服之難題,需提早思考因應對策,以國際經驗可知,抽蓄水力儲能系統是可行的方法之一。

然而,興建抽蓄水力發電廠並不是一件簡單的事情,不僅須選擇合適的廠址,再加上建置時間長、初設成本高等,土地開發也可能面臨環境生態問題,我們需要謹慎地評估,以降低對環境之衝擊。

為配合再生能源之儲能課題,台電公司目前正評估新建可變速抽蓄水力發電的可行性,對此,我們也應保持樂觀的態度,因為這是一段漫長的路。

奧地利:Feldsee水力發電廠

Feldsee抽蓄水力發電廠自2006年開始施工,於2011年正式運作,位於陶恩山之海拔高度約1,695公尺處,總裝置容量為140MW,每年發電量為300GWh。該廠為Fragant電廠群的其中一座電廠,可將附近風力發電廠和水力發電廠之剩餘電力儲存起來。

資料來源:

美國DOE 儲能資料庫(DOE Global Energy Storage Database)
(http://www.energystorageexchange.org/projects/551)

日本:奧多多良木水力發電廠
奧多多良木水力發電廠位於日本兵庫縣,廠房位於地下100公尺,為典型尖峰發電的水力電廠,共有6部抽蓄式發電機組,且每日尖峰發電可達8小時,最大總發電容量為1,932MW,現已規劃將機組更新為可變速AFC水輪發電機組。

圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tataragi_Dam01n4272.jpg
By 663highland(CC BY-SA-3.0)

泰國:Srinagarind水庫
Srinagarind水庫於1981年正式落成,位於曼谷西北方約200公里處。本水庫共設置5部水力發電機組,總裝置容量720MW,其中3部機組為120MW,2部機組180MW(抽蓄水力發電用),該水庫之集水區共419平方公里,總蓄水量為17,745萬立方公尺,除提供農業灌溉,尚兼具發電、防洪及提供民生用水的功能。

圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Srinakarin_Dam_No.5.jpg
By Kittipong khunnen(CC BY-SA-3.0)


關鍵字:水力發電,抽蓄式發電廠,明潭

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