【能源科技】太陽能過去、現在與未來(五):穩定供電

作者 | 發布日期 2013 年 07 月 09 日 11:08 | 分類 太陽能 , 能源科技
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複習一下前四篇,太陽能在安裝自動化以及奈米科技加持下,成本持續下降,而結合太陽能熱水「舊」科技,更讓IBM喊出每度電10美分的目標,直逼燃煤發電,接下來我們探討了太陽能不只無所不在,還可無孔不入,滲透到大樓建築的屋頂甚至每扇窗戶,解除了佔地面積的疑慮,在可見的未來,太陽能的想像空間遠比10年前所能想像的更寬廣遠大得多。但是太陽能最讓人垢病的「看天吃飯」問題呢?




太陽能的動態穩定優勢

事實上,太陽能是具有動態穩定優勢的能源,電力來源跟水不一樣,用多少電就得隨時發多少電,太多太少都不行,所以「穩定」這個概念並非一直輸出同樣的電力,而是供需可以調配,太陽能雖然無法在電力需求增加時提高發電能力,但太陽能發電的高峰,恰好離用電尖峰不遠,可說是被動式的穩定。

以德國為例,今年6月6日的尖峰用電時間,德國的太陽能電池發電打破新高峰記錄,達23.4吉瓦(Gigawatts),光是太陽能電池發電就佔了德國當日尖峰用電的40%之多,觀察德國前後數日的電力供需圖,可以發現太陽能的發電量(白天、中午最高)與德國的用電量是同起同落。 1307080301

credit: AGORA

由德國的狀況可以理解,太陽能的動態穩定優勢剛好可以平衡尖峰需求,另一方面,大樓屋頂加裝太陽能電池或是太陽能熱水複合裝置,除了發電、節能以外,也減少了太陽照到大樓的熱度,從根本上降低空調需求。

台灣發展太陽能更優於德國,因為歐洲國家最大能源需求高峰是在冬天的取暖用能源,太陽能到了冬天反而與取暖高峰相反,德國只有夏天才能笑,冬天太陽能就靠不大住了,但是台灣位於亞熱帶,用電尖峰都在炎炎夏日,日照越高越熱時,越是用電尖峰,夏天若遇颱風來襲,固然太陽能無電,但颱風來天氣涼,冷氣也不用開,供需一致。

太陽能穩定供電問題主要來自雲

所謂太陽能的穩定供電問題,並非一般人認知的「夜間無電」,事實上,對於晚上一定沒有電這種可完全預期的電力供應變化,電網很容易規劃安排,而所謂太陽能的穩定供電問題,其實指的是如果有一大片雲飄過大型太陽能發電廠,電力供應會突降,導致電力網路調控不及,發生跳電危機。

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因此,在太陽能發展之初,許多人都抱持懷疑態度,這點與陸上風力發電害怕預期之外的風速變化有異曲同工之妙,甚至有極端者認為只要太陽能與風力發電超過10~20%,電網就會崩潰。由於許多國家已經超過這個數字,如葡萄牙風力發電佔27% ,以及上述德國太陽能電池發電佔尖峰用電40%,因此這種杞人憂天的說法已經不攻自破。

傳統的電網調控是以小時為單位,而燃煤發電增開機組時間相當緩慢,燃油發電較快些,但也沒有好到哪去,的確很難處理突發狀況,但是隨著各國發展智慧電網,未來主流調控時間將以15分鐘為單位,此外,新式天然氣發電廠也成為太陽能與風力的最新「好朋友」。

奇異的「彈效」系列 可因應極端電力調度需求

去年10月,奇異(GE)推出「彈效」(FlexEfficiency)系列最新燃氣發電渦輪,簡稱F系列,除了熱效率達61%以外,奇異最得意的就是F系列渦輪可在13分鐘內從輸出750MW降到100MW,再升回750MW,應變能力是現有燃氣渦輪的2倍,可因應最極端的電力調度需求,即使在冷機狀態下也能在半小時內開機。

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credit: GE

如F系列這樣的新燃氣發電渦輪,可以平衡太陽能與風力的突降問題,而太陽能與風力相較,太陽能更佔優勢,因為陸上風速變化有時很難預測,但大型太陽能發電廠「怕雲遮」的問題,因為雲的行經路線可幾乎完全預測,搭配燃氣作為平衡,在雲飄來之前提早開機或提升輸出,即可完全彌補。

但是,靠別人來頂,算什麼英雄好漢?許多企業──包括奇異──與新創事業針對太陽能的穩定供電需要,提出另一方面的解決方案,即能源儲存。

聚光式太陽能的能源儲存方式

太陽能發電大體上可分為聚光式太陽能,以及太陽能電池兩種。聚光式太陽能目前的主流能源儲存方式為熔鹽儲熱,將陽光的熱度聚焦在聚熱塔上時,不是直接加熱水,而是先加熱熔鹽,把熱能儲存在熔鹽中,之後需要時再以熔鹽的熱度煮水產生蒸汽來發電。

由上述原理可知,聚光式太陽能搭配熔鹽儲熱之後,不僅完全沒有「雲遮陽」的問題,還可儲存熱能到夜間發電,連同夜間供電問題一併解決,目前許多聚光式太陽能計畫熔鹽儲熱能力設計可達6小時,其主要目的即是供應晚上7~8點的電力需求高峰,以取得更好的發電營收,有的計畫甚至到12小時,可以整晚供電。

由此可知,聚光式太陽能部分無需討論所謂穩定供電問題,也沒有夜間供電問題。

太陽能電池的能源儲存方法

太陽能電池的主流能源儲存方式則是各種電池儲能,這首先牽涉成本問題,若配備越多的電池,成本就越高,因此電網級的電池儲能到底需要多久,一直眾說紛紜。

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大部分專家同意,在太陽能電池與風力發電未超過20%以前,電網可吸收他們產生的變化,不需要任何能源儲存,但是20%以上就會有潛在問題,若達30%到40%,一般認為太陽能電池與風力發電至少需建立15分鐘的電池儲能。

不過奇異則更大膽,奇異提出只要以智慧軟體調控,可大幅減少電池儲能的需求,奇異最新巨型風力發電機發電容量為2.5百萬瓦(MW),若要儲能15分鐘,應內建625度電的電池儲能,但奇異表示:透過準確的風力預測以及智慧調控風車轉速,只要25度電的電池儲能就足夠在風速變動時,仍能持續穩定供電15到60分鐘,因為電池只是要補上發電的差額,不是完全由電池供電,奇異在該風機上內建50度電的電池儲能,自認為綽綽有餘。

不過其他專家則持保留態度,並認為在某些狀況下,儲存15分鐘仍嫌不足。而目前主流看法認為,若有一國家達到100%可再生能源,則預計至少需要數小時的能源儲存能力,以備不時之需。

當電網把能源儲存視為成本時,許多新創事業則把它視為龐大的商機,因應電網級能源儲存總量極大,但單價要低的需求,許多新舊電池技術應運而生。以下我們介紹幾款電池。

一、電池技術的革新─鈉鎳鹵化物電池

奇異在此一領域自然不可能缺席,2007年奇異買下英國鈉鎳鹵化物電池廠Beta R&D,取得鈉鎳鹵化物電池技術,建立「獨拉松」(Durathon)電池品牌,鈉鎳鹵化物電池能量密度只相當於鎳氫電池,壽命中等,好處是可耐極端溫度,材料可完全回收、不具毒性。

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credit: GE

去年9月,奇異宣布獨拉松電池已接獲6,300萬美元訂單,主要為開發中國家手機基地台提供能源儲存,在電力系統不穩時作為備援電力。而奇異新風力發電機內建的電池自然也是獨拉松。

二、電池技術的革新─鈉硫電池

另一方面,日本經濟產業省前身通商產業省(MITI),在1980年「月光計畫(Moonlight Project)」中,就已經提出的鈉硫電池與液流電池,也隨著能源儲存需求再度浮上台面。

日本在1983年起由東京電力公司和日本碍子株式會社(NGK)合作開發鈉硫電池,於2002年開始出貨,成為世界上主要的鈉硫電池開發與生產者,但由於日本先前仰賴核能,能源儲存需求不高,發展並不順利,2011年9月,三菱材料築波廠的鈉硫電池起火,更導致NGK於2012年全面回收產品。

而在日本灰頭土臉的同時,今年2月,美國勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab)發表新的鈉硫電池技術,運作溫度降至60°C,並提高安全性,延長使用壽命,未來技術成熟後可望積極搶攻能源儲存市場。

三、電池技術的革新─液流電池

日本「月光計畫」中,有2種液流電池,液流電池壽命超長幾乎可無限次使用,安全性與穩定性高,但體積龐大,不適用於行動裝置與汽車,只適用於固定式大型能源儲存裝置,可想而知,日本又是先耕耘卻無力前進。

如今電網級能源儲存需求興起,可能歡呼收割的又是美國,美國新創公司EnerVault提出低成本新材料、誕生自麻省理工學院(MIT)的新創企業Sun Catalytix也看中液流電池,史丹佛大學的崔屹(Yi Cui)則提出鋰硫半液流電池的想法。

1307080308credit: EnerVault

四、電池技術的革新─液態金屬電池

在眾多電池技術中,液態金屬電池相當受到矚目,其原因是上了TED,在TED大會上,MIT教授Don Sadoway傳達創新觀念以外,更表示發展新科技過程中,腦袋裝滿舊知識的資深者反而受到舊觀念限制無法自拔,他一開始請了毫無經驗的新手,反而有很多突破,後來公司成立,請的全都是年輕人。

發展液態金屬電池的靈感來自於煉鋁業,煉鋁業以霍伯法(Hoope’s process)精化鋁,霍伯法煉鋁槽相當於是一個液態金屬電池,不過是只充電不放電,煉鋁業耗用大量電力,相當於是液態金屬電池可承受極大電流,同樣的原理應可用於電網規模的能源儲存。

目前液態金屬電池原型已可達到每度100美元以下目標,在價格上可以和壓縮空氣能源儲存(Compressed Air Energy Storage, CAES)一較高下,未來甚至可望挑戰抽蓄水力發電的能源儲存成本。

Don Sadoway發展的技術雖然不適合台灣──地震時液態金屬電池受搖晃會短路──不過他的觀念,倒可以讓老是「往後看」,又深受青年就業問題所苦的台灣好好參考。

 

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