電池儲能與尖峰燃氣電廠你死我活,大戰誰能勝出?

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 30 日 8:00 | 分類 能源科技 , 電力儲存 follow us in feedly

燃氣電廠能快速啟動、升載降載的特性,使當前尖峰用電需求,可說大多數由尖峰燃氣電廠包辦,少部分則由抽蓄水力發電廠,以水的位能為能源儲存方式,在離峰時抽水到上池,尖峰時放水發電,但受限於水庫破壞山林的環保考量,如今各國新建水庫的可能性越來越低。隨著電池成本快速下降,尖峰電力問題有了新的解決方案選擇,那就是應用電池能源儲能,電池供應鏈產業,如今開始與燃氣供應鏈產業進行一場追逐尖峰商機的生死較量。



蓋許多電廠,只在尖峰的時候啟動,攤提上成本相對較高,尖峰燃氣電廠的容量因數,往往只有 5%~6%;由於尖峰燃氣電廠往往是開放、單循環而非能源效率較高的複循環,使得同為燃氣發電,尖峰成本較高;燃氣雖然啟動與升載快速,但從最低轉速升到最高最快也仍要數分鐘的時間,同樣因應尖峰突發需求,電池儲能系統幾乎是即時,反應遠遠更快;燃氣電廠雖然較燃煤電廠的空污少,但仍非全無污染,加上天然氣管線與儲槽等設施的安全性考量,因此必須興建在距離都會人口密集區稍遠之處,因而有電力輸配方面的需求,電池儲能完全沒有空污問題,可配置在用電所在的都會區,對電力公司來說可省去輸配骨幹瓶頸的煩惱。

電池儲能系統唯一不如尖峰燃氣發電廠之處,在於若電力短缺危機持續不是只在短暫尖峰時刻,而是延長到大半天,燃氣發電廠只要供氣不斷絕,就能一直開啟發電,電池儲能系統所儲存的電力用罄,就無用武之地。因此,電池儲能系統到底能否取代,或能取代多少尖峰燃氣發電廠市場,端看電力調度時到底是短暫尖峰需求多,還是延長的需求多?

實際檢視美國尖峰燃氣發電廠的營運狀況,以俄亥俄州的特洛伊電廠為例,2017 年啟動 46 次,平均啟動 5.2 小時,只有 8 次啟動時間超過 8 小時,3 次啟動時間超過 10 小時。蒐集電廠啟動時間數據,加以分析的結果發現,目前 4 小時儲能時間的電池儲存系統表現不佳,無法取代大多數的尖峰燃氣電廠啟動事件,但只要增加到 6 小時,就能處理 74% 的尖峰,若擴增到 8 小時,則可涵蓋 90%10 小時系統可處理 97% 需求。

實務上,若電力調度機構有電池儲能系統可應用,並不會撐上 10 小時,而是用以拉平離峰尖峰差距後,讓燃氣電廠以基載或至少中載方式運轉,離峰多發的電力儲存起來,轉到尖峰使用,減少燃氣發電廠閒置的時間,提高燃氣發電的容量因數,相對來說,也同樣的電力,也就不需要那麼多燃氣發電廠。因此,電池儲能取代燃氣發電的市場,並不是完全淘汰對方。長時間的狀況仍會由燃氣發電廠扛起,但短時間的啟動關閉需求,則由電池系統取代。

顧問公司伍德麥肯茲(Wood Mackenzie)預估美國未來 10 年內會有 20 吉瓦(gigawatt)總發電容量的新燃氣發電廠啟用,4 小時的電池儲能系統能取代其中 32% 需求,也就是估計約 6.4 吉瓦,這些機會將主要在加州、德州、亞利桑那州,而若 8 小時的電池儲能系統很快降低成本進入商用化階段,可取代其中 82% 需求,也就是 13.1 吉瓦。電池儲能產業正磨刀霍霍,希望搶食這塊大市場,相對的,奇異(GE)為首的燃氣產業則拚死守衛自己的市場。

有搭配合作的空間

到底這場爭奪戰誰能勝出,目前只能說戰況膠著,加州電力公司早已積極布建能源儲存,佛州、北卡羅來納、亞利桑那州也正在規劃能源儲存,但服務範圍及於維吉尼亞州、北卡羅來納的道明能源(Dominion Energy)則重押燃氣而較不重視能源儲存,認為電池價格還不夠低,因此能源儲存目前並不在考慮範圍。

道明能源的 51525 年長期資源整合計畫中認為,現代化的電網將會創造更動態化的系統,最好能因應大量電網級的太陽能發電設施,以及大量小型、廣泛分布的分散式能源資源。這樣的敘述,聽起來應該重視大量能源儲存系統建置,道明能源資源整合計畫表示除了傳統的抽蓄水力發電以外,也持續關注電池與飛輪儲能技術的發展,但是道明能源承認對儲能的關注不如燃氣。

道明能源的分析規劃到 2033 年至少新建 8 座燃氣電廠,總發電容量 3.664 吉瓦,道明能源表示,在當前的時點,要配合可再生能源的間歇性,天然氣是最具成本效益的備援能源。不過,未來若成本結構改變,電池可望逐漸占據更重要的角色,下次將於 2020 年發表的長期資源整合計畫,會更注重電池。道明能源表示自 1985 年以來就運作 3 吉瓦容量的巴斯郡抽蓄水力發電廠,因此理解能源儲存的重要性。

道明能源和其他州、其他電力公司,對能源儲存的積極度差異,可說表明了現在正是燃氣與電池大戰的僵持時刻,兩者目前利弊相抵不分軒輊,但隨著電池成本將隨時間下降,燃氣的成本則未必,因美國天然氣價格已不易再大幅降低,終究電池會逐漸勝出。

電池與燃氣發電並非真的只能你死我活,電池儲能與燃氣其實有搭配合作的空間。南韓電池能源儲存公司 Kokam 提供澳洲阿林塔能源(Alinta Energy)一處礦業巨擘必和必拓(BHP Billiton)鐵礦坑的微電網設施,就是結合開放循環燃氣發電與電池儲能,含一座 178 百萬瓦發電容量的開放循環燃氣發電機,以及 30 百萬瓦、1.14 萬度電的電池儲能設施,儲能系統由 5 座約 2,200 度電儲存容量的貨櫃大小儲能設施組成,使用 Kokam 鎳錳鈷三元鋰電池(Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide, NMC),電池最大放電電量為 10 庫倫,高於一般鋰電池的 3 庫倫,以在短時間內提供大量電力,宣稱可耐用 1 萬次充放電循環,保固 10 年。電池能應付礦坑用電需求上上下下波動,避免燃氣發電機組需不斷升載降載的負擔,可提升燃氣發電的能源效率,更能減緩機組的損耗。

燃氣陣營的龍頭奇異也對此有類似見解,奇異與南加州愛迪生(Southern California Edison),共同合作設置一組燃氣與電池混合設施,結合 50 百萬瓦的尖峰燃氣電廠,與 10 百萬瓦、4,000 度電電池儲能設施,已讓燃氣機組更有效率運作,燃氣機組盡量以最有效率的方式運轉,而每 5~15 分鐘上上下下配合電網提供的旋轉備轉容量(spinning reserve)需求,則由電池去應付。

芬蘭陸用和海上動力系統公司瓦錫蘭(Wärtsilä),2017 年買下電池儲存軟體公司綠鐵匠(Greensmith),也一樣正在商用化內燃發電機與電池混合系統,利用電池讓燃油發電機更節省燃料,提高燃油效率,每年使用的燃料可因此減少 6%,也相對減少了碳排放。

終有一天,當電池成本降到一定門檻之下,搭配可再生能源普及,世人可能再也不需要燃氣發電,而將跟隨燃煤發電如今的趨勢,逐漸成為歷史陳蹟。但當前電池仍未能達到能大量取代燃氣的成本門檻,反而短時間內,電池與燃氣發電還可以達成「互利共生」,彼此和平共處,但這樣的和平能維持多久,就很難說了。

(首圖來源:pixabay