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穩定中求成長─智慧電網之儲能技術使用

2016/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 1269

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撰文/楊昌中、張文昇、黃永福
資料、圖片提供/工業技術研究院

由於太陽光電或風力發電易受天候影響而無法穩定供應,一旦再生能源占比快速成長,將衝擊現有電力網路。儲能系統能夠提供一個穩定的再生能源電網,可滿足未來再生能源極大化需求,然而儲能成本昂貴,儲存1 度電約需新臺幣6~27元,所以國際間相關技術開發與示範驗證仍處於商業初期階段。

未來再生能源是否能大幅的推廣與應用,與預測技術、控制技術、分散發電技術、負載管理技術以及儲能技術等智慧電網的幾項重要技術息息相關。若能有效提升這些技術的能力,將可大量引進再生能源發電併聯至電力系統之中。

儲能系統可建置長、短期兩種儲能系統做為互補,形成所謂多層級儲存能力,來滿足再生能源的發電特性。長期儲能系統設計儲存大規模的能量,而短期儲能系統儲存較小量、但可快速存取的能源。舉例來說,對於某些再生能源的間歇性發電,可搭配時間反應快、瞬間輸出功率高的飛輪系統、超級電容、超導磁能儲存系統予以穩定輸出,消除輸入電網電力的瞬間起伏,提高電網可靠度及穩定性;較長時間的電力調度,例如:消除一日作息的供需失衡,則可利用抽蓄水力電廠、空氣壓縮儲能系統或化學電池,達到電網電力削峰填谷的作用。

何謂智慧電網?

目前的電網結構是由電廠發電,經過升壓後再降壓以傳至用戶端。但是當引入新的發電源,尤其是再生能源時,對現行的電網結構而言,無法允許大量的再生能源同時輸出電力給予電網。傳統電力的傳輸都是單向輸送至用戶端,只要輸配電的節點故障,用戶端將面臨無電可用的情形,而且傳統電網系統因傳輸距離過遠,容易造成壓降及能量損失,整體能源利用效率降低。

為解決前述問題,國際上提出發展智慧電網的構想。智慧電網可以改變既有電網架構僅有單向供電的模式,可以允許用戶端逆送電力回到電網端。另外,如大型區域中有許多微電網系統時,可透過區域調度管理方式,進行微電網間電力調度,使電網系統產生自癒功能,避免特定區域因供電不足或電網衝擊過大,而造成供電中斷,藉此提升整體能源的利用效率。

儲能技術與電能併聯轉換技術

未來電網勢必面臨多種分散式發電系統要同時併接的問題,這些發電系統包含:風力發電、太陽光電、生物能、柴油機等,由於這些發電系統的電壓特性及輸出特性皆不相同,尤其再生能源更容易受到天氣等不穩定性影響其輸出功率,要直接將所有發電系統併網,必須仰賴兩大技術的開發:一是儲能技術,另一個則是電能的併聯轉換技術。

儲能系統將有助於平衡各發電源之配比,有效調控電力資源,是再生能源應用的重要前提,和實現電網互動化管理的有效手段。尤其未來再生能源高占比的情況下,對於電網的衝擊影響將更加顯著,而且電網上將會有大量的雜散頻率,對於併接在電網系統上的負載而言,不僅僅是效率低的問題,甚至會造成損壞,若能透過儲能技術的導入,將能有效平滑再生能源輸出,穩定整體電網頻率,並可幫助再生能源更容易融入電網系統中。

儲能電網將可提高再生能源的導入

以美國新墨西哥州PNM電力公司的儲能系統整合太陽光電示範場域為例,該場域包含500kW太陽光電發電系統、搭配2款電池(0.5MW的鉛碳電池、0.25MW 的鉛酸電池)、以及1組0.75MW併網型儲能轉換器,主要驗證儲能系統可同步對太陽光電輸出電壓平滑化及削峰填谷的功能。透過儲能系統不僅可達到平衡的功能,對於太陽光電受到陰影遮蔽造成的發電不穩定現象,也能藉由儲能系統給予輸出平滑化,提供整體電網穩定的電力品質。

日本沖繩宮古島則是一項驗證離島如何導入大規模再生能源的最好案例,計畫核心為宮古島於驗證導入大量太陽光電及電池後,將如何進行電網的頻率抑制,整個驗證計畫共有4個項目。

第1個項目是再生能源輸出變動抑制的驗證,特別是針對太陽光電輸出變動部分,利用具備快速反應特性的電池吸收太陽光的劇烈變動,互相搭配,使得電池跟太陽光電的輸出就變成穩定的輸出曲線。

第2個項目為離島原有之柴油發電機輸出頻率變動抑制的驗證。當離島電網搭配不穩定的風力及太陽光電,會引發電網頻率變動超過柴油發電機的運轉範圍,進而使離島電網崩潰。導入電池可以穩定柴油發電機的輸出,避免頻率變動過大,衝擊整個電網系統。

第3個項目則是太陽光電輸出排程控制的驗證,電力公司會在前一天依據氣象預報,進行電力供電的排程。由於預估與實際值上有些差異,因此需要藉由控制電池做充放電,以符合真正的發電。

第4個項目是在低壓6kV系統進行用戶端模擬最佳的控制與調度方式。

智慧電網與車聯網

展望未來是再生能源與電動車的時代,這兩者都必須依靠智慧電網提供民眾更便利的服務,而Vehicle to grid(V2G)技術可以調度閒置不用的電動車,利用電動車裡的電池提供電網各種服務,譬如紓緩尖峰用電、平滑太陽光電輸出、提高電力品質等。

其中電動車在夜間進行充電,儲存離峰電力,白天再釋放出來,將成為一種全新互利的商業模式:由雲端能源公司收集大數據並管理所有併聯電動車的能源調度,提供電力公司各種輔助服務,而車主得到售電回饋。V2G還處於技術開發與示範階段,但是已經有很多電動車具備Vehicle to home(V2H)功能,提供家戶備援電力,譬如日產汽車的Leaf與e-NV200、三菱汽車的iMiEV等,預期2020年電動車逐漸普及後,結合大數據的V2G 技術將獲得大規模的運用。

未來儲能大趨勢

儲能技術和電能併聯轉換技術是時勢所趨,我國再生能源發展與智慧電網建構規劃時,可審慎評估其經濟效益,並納入相關之示範與技術研究。臺灣有很多離島和偏鄉適合導入孤立之再生能源與儲能系統,解決電力成本昂貴問題,將離島既有的重油或柴油發電機組及再生能源得到最適化之配置,以提升燃料使用效率。長期則以建立關鍵專利及推動產業化為目標,以儲能系統及智慧電網技術提升我國電力系統運轉效率、供電品質及電網可靠度,並帶動我國綠色智慧產業發展。

楊昌中小檔案

現職:工研院綠能所技術副組長
專長及研究領域:能源材料、高分子科學及化學工程、氫能與燃料電池、儲能技術

張文昇小檔案

現職:工研院綠能所副組長
專長及研究領域:光觸媒材料開發、燃料電池技術、二氧化碳捕獲吸附材料與再利用技術、半導體材料光電性質分析、儲電電池系統

黃永福小檔案

現職:工研院綠能所經理
專長及研究領域:再生能源併網電力轉換、儲能併網系統、電力品質改善與分析、微電網


關鍵字:智慧電網,儲能技術,大型電池,併聯技術

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