储能系统技术的发展现状与趋势

2019-07-08 11:41

  在这个减低排放为产业首要发展任务的年代,再生能源的发展几乎抢尽了石油产业的风采。再生能源的范畴,近十年期间除了创能与节能之外也开始缓步延伸到了储能系统发展,部分区域也开始进行相关补助的计划研拟。据EnergyTrend的探访与调查了解,储能系统初步需求将从地方的急难救助系统开始,使用规格以大型储能紧急备用电源系统为主,未来则将逐步渗透至家庭储能设备,朝着小型而分散的能源发展,以降低白日的尖峰用电负载,这也将会带动电池产业的蓬勃发展。

  电动车产业(次世代自动车)虽然消耗电池的数量甚高,但是在基础建设尚未成熟且周边延伸产业尚未成形之际,于近五年内仍旧难以大规模普及;反观储能电池(蓄电池)产业除可搭配着再生能源做应用,也可单独使用作为紧急备用电力系统,未来的市场需求可期。根据日本METI预估(图一),全球储能系统需求将随着智能城市的兴起而成长,以日本市场而言,因为灾害所促成的城镇再造机会,将更加速落实新型态能源应用的进程,预估将在2012年开始在日本市场会有明显的成长需求,未来五年更会快速扩展至全球各主要城镇地区。

图一 电池应用发展期程

  紧急备用储能系统在效益与保障间权衡

  紧急备用电力顾名思义是在于单纯的电力备份,因此在早期的产品设计中,大多是以经济效益来做首要考量。但是发展至今,备用电源在使用的概念上已经有很大的改变,除了作为备用之外,在民生与工业用途上,也分别发展出不同的电力调配功能。

  在工业用途上,其主要的功效在于争取足够的缓冲时间为主,以确保工业电脑能有足够的时间关机,以减少电力中断造成的自动化生产损失。在目前的应用面上,包括各种生产制造机台,都有这类型的备用电力配置设计。另外在基地台建置部分,使用独立电源也可免除因为电力系统有限的复盖率,所产生的电力窘境。甚至目前在当红的云端产业发展上,属于高耗电的直流服务器,需要储能电池做为紧急备用之外,也可借由直流分电盘的设置与电池的搭配,将电力转换效率发挥到最高,免除耗电效率低落所产生的热处理,因而需要再额外增加一笔主动散热的电力支出。

  在民生用途上,备用电力的大多与住宅建筑结合应用居多,因为其电力消功率较小且使用时间较短,因此系统设置有较多机会与再生能源做设计结合;至于商业大楼的部分则以延续电力为其主要考量,以经济以及续航力为诉求,因此大多以燃油发电机作为紧急备用电力来源。

  紧急备用电力配置往功能与实用作延伸

  当储能系统做为单一的紧急备用途,无论是在经济效益以及使用频率都难以在民生用途上快速普及,也因此开发厂商开始在储能电池系统设计中改以透过电力的流动创造出离尖峰的经济效益,进而将储能电池系统不仅具备紧急备用的用途,更兼具有实用的经济节能性。

  以下图(图二)为例,电池系统在模组连结上,可与市电电网做连结,提供电力在离峰与尖峰之间作为电力需求缓冲,同时也可与再生能源结合,让电力来源可以兼具独立性与环保性。

  图二手机电源充电与补充的需求情境

  创能、节能与储能的完美搭配

  一个完整的新式再生能源系统,在过去来说大部分所见是节能与创能模组相结合,例如太阳能搭配LED路灯即是一例,往往忽略掉储存系统的优化与延伸,因此大多选用效能较低的铅酸电池做为其过渡的搭配组合。

  再生能源可与高效率储能电池作良好的搭配,然而目前的太阳能系统大多是以并网的方式存在,原因在于现行的电力系统并不适合大规模电力反馈的机制,且在升降电压过程的电力回收效率也并不理想。因此大规模的太阳能系统大多是设计架设在发电厂周遭,以减少其他的电力系统困扰。

  事实上,太阳能、发光二极管以及电池都是直流电驱动的元件,因此当创能、节能以及储能系统整合成为一个系统的时候(图三),电力使用效率将能够达到最高。然而,在目前的电力结构上,因为考量到发电成本以及电力传输的流动性,大部分的电力来源仍以交流电为主,使得大城市地区在三种模组系统的整合应用仍十分少数,而偏远地区受限于电力普及等问题,会因为便利性关系而牺牲成本考量,采用创能节能储能三种模组结合的整合式装置架构。

 

 图三完整的绿色能源系统搭配

  日本于灾后的省思与因应

  对于日本而言,能源独立,已是刻不容缓的事情。2011年日本福岛大地震之后,核灾的问题让日本开始重视再生能源的实际应用,2012年第一季度甚至开始计划关闭所有核电厂,而太阳能将会是未来的重要发电方式之一。

  目前来说,日本年度太阳能需求约在3.6GW,未来在2020年将计划提升至28GW(图四),以日本的太阳能电网属性来说,大多是走向分布式发电,而非美国此类集中式的方式。分布式太阳能系统的精神意涵,在于现地生产在地使用,因此在太阳能以及储能系统在搭配上将有可能以家用为单位进行推广。连带的使其系统设计将更有机会将轻巧的储能系统导入到生活之中。

 

 图四日本再生能源未来规划

  日本建筑的变革维新

  地震对于日本所带来的影响,除了是对于天灾预防所促成的警惕以外,对核能所产生的风险问题也让整体能源产业面临到重新思考的地步。对于东北地区而言,所产生的灾害是全面性的,也因此让日本期待新一波的造镇精神能够落实于重建区(图五)。

  过去的再生能源系统的搭配大多是建置在独栋式建筑,此类建筑无论是空间或者面积都较为具有弹性,然而旧式的配电设备难以做大幅度的变动,换句话说再生能源在导入上仍有其限制。当新式建筑与配电系统重新规划之际,再生能源导入则变得更能发挥其独立能源的特点。同时个别建筑在电力设计的改变也将能够塑造出城镇等级的能源管理,让电力供应能够在特定区域内互通有无进,让创造闲置能源的家庭电力能够支援正在耗电的区域,达成能源分享的目的。

  图五日本储能电池发展

  日本击出全球民生储能系统市场的第一球

  着眼于目前日本经济情势,要做到太阳能与储能系统合一,在实务上仍有很大的考验,以储能电池模组的成本来说,约占了整体系统的一半以上,对于推展实务上,仍有很大的挑战性,经济效益的推波成为其关键。

  日本政府在前首相菅直人的推动下,于2011年底开始针对电池部分进行政策补助。补助细则部分,可区分为个人或者企业用户,个人用户的使用容量约是在1~10kWh范围,电池补助不得超过总系统1/3比重,且整体电池金额不得超过一百万日圆。而在企业用户则是在1~10kWh以及10kWh两部分做区隔,1~10kWh以补助电池1/3为上限范围,总补助金额不得超过一亿日圆;至于10kWh的企业用户,因为整体配电成本以及复杂度有所提升,其补助范围除了电池之外,也包含了周边配电升压等线路。

  补助金额丰厚,也因此而获得不少的机电厂的青睐。然而因为使用地区在日本,对于产品的门槛也相对的要求较高,以产品寿命而言,要求至少要五年以上,同时在产品整合的效率上也是有所要求,对于台湾而言,要切入此一丰厚的产品供应链仍是大有挑战。

  图六日本储能电池发展

  总结

  电池产业在全球发展已逐渐从携带便利性,逐步转向为增加能源效率性,从目前的消费性产品来看,以面临了成长趋缓的饱和状态。家用储能系统则是另外的一波除能成长利器,相信随着再生能源的不断成长,储能系统将会有更多的市场切入点,让创能、节能与储能系统做出最完美的搭配。

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