跳到主要內容區塊 ::: 網站導覽 最新上線 熱門點閱 經濟部圖文懶人包 近期報導
經濟部能源局-LOGO 圖文懶人包
:::

儲能新星─日本電池的發展與未來

2016/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 1719

字型:


撰文/鍾嘉雯
受訪/工研院綠能與環境研究所 王人謙副所長

從3C產品、電動車到電網與儲備能量,啟動這些產品的靈魂在電池,我們對它所求很小也很大。使用要安全,則用電時手機、車輛甚至房子必須不會發熱或是燒起來;電費要便宜,則搭配電池的能源跟現在的1度電新臺幣3元不能差太多。讓儲能電池真正走入生活的關鍵在哪?

打開手機外殼,小小一顆電池,你願意花多少錢購買?從3C產品到大型電網儲能系統,一樣是電池,需要的條件可不一樣。

電池百百種,安全最重要

在現今可運用於電力系統之儲能裝置中,不受地理條件限制的就是儲能電池,它可是未來最具潛能的儲能之星。儲能電池的種類包括鋰離子電池、鈉電池(鈉硫電池、鈉氯化鎳電池)、鉛酸電池、鎳電池(鎳鎘電池、鎳氫電池)、氫能電池、液流電池等等。

大家手機裡面的電池,就是使用技術最成熟的鋰離子電池。鋰離子電池能量密度高,電池循環次數與充放電效率皆佳,不過致命傷就是成本太高。而鈉硫電池在儲能方面技術相對成熟,也有一定規模的發展,日本NGK公司是全球最大的鈉硫電池生產商,但鈉硫電池腐蝕性強,安全方面仍有疑慮;鈉氯化鎳電池較為安全,其運作環境為250~350℃的高溫,需要加熱和冷卻管理系統。鉛酸電池歷史悠久,但僅使用在小型設備如電動車上,因所占面積大及壽命較短,若使用在電網級儲能,其成本過高。鎳鎘電池有環境污染的問題,許多國家目前已限制、禁用鎳鎘電池;鎳氫電池在成本與表現上,還不如鋰離子電池。氫能電池仍在研發中,但是它的儲能成本高到1 度電新臺幣20元,還有爆炸之虞。液流電池裝置簡單又容易維護,據IHS公司(Information Handling Services, IHS)預測,2022年液流電池會是成本最低的化學電池,但它的缺點是能量密度不夠高,目前也只有少數系統可使用。

王人謙副所長評估,「目前電網級儲能,最可能發展的還是鋰離子電池與鋁電池,鋰離子電池技術成熟,鋁電池的成本可望能降到非常低。」鋁電池雖未商業化,但具備可燃性低、成本低、電力儲存效能高等優點,若能提升其能量密度,未來發展大有可期。

在再生能源發展快速的今日,要將不穩定的再生能源轉為穩定可使用的能源,就必須使用電池來儲能。王人謙副所長說明:「以太陽光電為例,雲的飄移與遮蔽會造成太陽光瞬間消失、出現,在短短10秒內,就可能使8成電流突然失去又再進來,要維持電流平滑(Smoothing),必須搭配可快速充放電的電池;而像風力發電,突發的強風比較少,電池的充放電速率以數十分鐘為單位就可以,但必須維持削峰(Shaving),其功能是將晚上少用的電儲存至白天來用。」

使用儲能電池,要注意什麼?最重要的當然是安全。現在所使用的電池,大多都算安全,我們很少看到筆記型電腦或手機燒起來,反而是充電時電池爆炸的新聞時有耳聞。手機燒掉或爆炸,損失上萬元固然心疼,但若將儲能電池連接到電網,在家戶系統中使用,用電安全攸關人命,就不只是錢的事了。

電池發展的重點在於成本,新臺幣數萬元的手機,電池只需要幾瓦,成本多10元,差別不大;用在交通工具上,原本1公里用2、3元的油,改成電池充電,多久充1次?價格多少?若運用在電網中,與現在的1度電3元相較,改用再生能源加電池儲能,要花多少錢?大型儲能電池首重用電安全與電池成本,缺一不可。

發展前期,補助示範大力推

國際能源總署(IEA)今年(2016)的ETP報告提及,從2011年到2014年,大型電池儲能已從800MW增至1,500MW(圖1),鋰離子電池占領先地位,不過鈉硫電池後勁看漲,3年間從10%增加到22%,投資成本則從約800美元/kWh下降近半(圖2)。2014 年的電池儲能達到新增400MW的新紀錄,是2013年的2倍,已興建與計劃中的電池儲能系統共有1.6GW。

不過,在所有的儲能系統中,相較於IEA 統計已有142GW的抽蓄水力發電,儲能電池還在發展萌芽期,價格相對昂貴,需要透過補助與示範等方式來推動。據工研院統計,全球的儲能示範技術中,推動鋰電池、液流電池的計畫有912個,是抽蓄水力與冷水儲能、熔鹽儲能的2倍以上。如德國政府為增加不穩定再生發電之占比、並解決對電網的衝擊,制定了中長期的解決方案,補助熱儲能、儲電能與其他儲能轉換技術之計畫,目前已資助186個計畫,共2億200萬歐元;中國大陸推動國家基礎技術研發計畫「973」、高技術研發計畫「863」與國家風光儲輸示範工程,以磷酸鋰鐵與液流電池為中心,開發分布式的再生能源系統,也帶動了相關液流電池廠投資。

儲能電池替代抽蓄水力,日本全力出擊

在日本,經濟產業省提供電池研發經費75%的財政支持,目的就是以儲能技術替代抽蓄水力發電!從2009年「革新型蓄電池先端科學基礎研究事業」(2009~2015)、「次世代蓄電池材料評價技術開發」(2010~2014)到「先進‧革新蓄電池材料評價技術開發」政策(2013~2022),可以看出日本著重電池本體研發。

在再生能源的應用以及儲能系統應用方面,經濟產業省也提供補貼,在企業端,設定儲能技術發展目標,支持企業研發儲能系統並給予補助,對電力公司則補助儲能系統應用之實證;在用戶端,訂下2020年儲能成本達到2.3萬日圓/kWh的目標,補助用戶使用儲能系統,促進用戶端形成儲能市場。

電池技術最前線

政策支援之外,日本在技術面的發展也不遺餘力。以北海道電力公司的「液流電池電網儲能示範計畫」為例,北海道民眾安裝大型(2MW以上)太陽能發電超過1GW,然而北海道電力公司無法消化,只能仰賴1條600MW之高壓直流線路送往附近的東北電力公司。

發電量多到電網無法容納,這些電只能白白浪費。釜底抽薪之道,日本經產省希望在2020年之前將該高壓線路擴充到900MW,並且北海道電力公司與住友電氣工業有限公司合作,導入輸電規模15MW、儲能容量60MWh的全釩液流電池儲能系統,輔助提高太陽光電的併網能力。

另外,日本也積極研發各種二次電池(充電電池),在最新的「NEDO二次電池開發技術藍圖」中,分別開發系統使用、用戶使用的不同充電電池,朝向成本愈低、壽命愈長的方向發展。

我國的電池大未來

儲能的發展,還是要因地制宜。有些國家擁有豐富的水力資源,儲能的成本很低,以我國來說,山上沒有足夠的植被,每逢豪雨,土石流失,水庫都變成攔沙壩,發展水力儲能的難度較高。

不過,電池產業的發展,王人謙副所長還是十分看好。「雖然我國水力資源受制於環境,電池產業還是有機會的!相較中國大陸,臺灣人口不多,我們不需要去爭低價、量大的低端電池,而是走高端的電池產業。」如工研院研發的「可高速充放電鋁離子電池」,以低成本、高安全性、可高效率快速充放電,突破鋁電池壽命限制的研究成果,登上2015年4月的自然(Nature)期刊,目前已申請我國與美國之專利,並朝向提升石墨材料電容量、石墨陰極材料量產化兩大方向研發,未來可望取代傳統鉛酸電池,應用在大型儲能裝置上。「臺灣不靠低成本或污染環境,我們目前在積極布局專利,研發特殊電池,也跟日本、韓國一較高下。」這是一個技術戰,誰能勝出,就看將來!


關鍵字:儲能系統,儲能電池,IEA,再生能源

文章分類 焦點精選
活動快訊
能源FAQ
能源E觀點

網站選單 關於能源報導 全文搜尋 聯絡我們 友站連結 FB粉絲專頁 網站導覽 經濟部圖文懶人包