存下再生能源

作者: 撰文∕李名揚 | 科學人雜誌 – 2012年4月28日 上午10:42

以再生能源大規模發電時,其不穩定的發電量將危及電網的安全,因此最好能將電能儲存起來,需要時再使用。目前有哪些大型儲電設施可以設置?台灣又該朝哪個方向發展?

重點提要

■抽蓄水力發電廠是全世界最普遍使用的大型儲電設施,但受地形、環境保護等條件限制。

■目前全世界大型儲電設施的主流研發方向為鋰電池、液流電池及鈉硫電池。

■台灣有開發燃料電池的潛力,並期待金屬空氣電池能研發成功。

面對化石能源枯竭的危機,發展再生能源成為全世界必然的趨勢,然而太陽光和風力都不受人指揮,發電量極不穩定。若要維持電網穩定,最好的辦法就是把太陽能和風力所發的電能儲存起來,在適當時間穩定輸出。因此,大型儲電裝置的發展近年來逐漸受到各國重視。

義大利物理學家伏特(Alessandro Volta)在1799年發明電池後,人們使用儲電裝置已經超過200年,然而目前能容納發電廠多餘電力的大型儲電裝置只有一種,就是抽蓄水力,可以配合發電廠的能力,達到十億瓦(GW)等級。

台灣在日月潭水庫附近有明潭及大觀二廠兩座抽蓄水力發電廠,裝置容量2.6GW,佔全台總裝置容量的6.3%,其中明潭發電廠的裝置容量1.6GW,大於核一廠,是亞洲第一、全球第四大的抽蓄水力發電廠。可是,台灣也只有這兩座抽蓄水力發電廠,因為興建抽蓄水力發電廠的適當地點難覓,水庫又有破壞生態的疑慮,加上若因極端氣候而集中降雨時,下游地區將面臨洪水的威脅。台灣還有沒有其他地方可以興建水庫?水庫蓄水量是否足夠?都讓人質疑。

因此最適合台灣(及其他沒有抽蓄水力發電地形條件的國家)的方法,只有利用二次電池(可反覆充電的電池)進行化學儲能。第一個二次電池是法國物理學家普蘭特(Gaston Plante)於1859年發明的鉛酸電池,經過100多年的技術改進,便宜又安全,是目前世界上使用最多、最成熟的儲電技術。

不過鉛酸電池有幾個根本的問題,工業技術研究院綠能與環境研究所新能源技術組副組長楊昌中指出,鉛酸電池的製造過程和廢電池處理都對環境造成很大的負擔,因此必須搭配完整的回收系統;其次是鉛酸電池雖然比各種先進電池便宜,可是使用壽命太短;最大的缺點是鉛酸電池只要放電量較高,損壞率就非常高,若每次都100%放電,只能使用200次,不適合做為大型儲電系統。

因此現在全世界的發展重點是可以大型化的三種先進電池:鋰電池、液流電池及鈉硫電池,雖然技術未臻成熟,但已有一些示範計畫正在進行中。

由小變大的鋰電池

鋰電池分為鋰金屬電池和鋰離子電池,早期使用的是鋰金屬電池,但因有嚴重的安全問題,現在廣泛使用的都是鋰離子電池,以日本三洋、索尼、松下、日立,以及韓國三星、LG的技術最先進,但這幾家公司都沒有早期投入大型儲電領域,因此現在以中國的比亞迪及美國的A123在大型儲電市場的表現最好。比亞迪去年聯合另外三家中國廠商,在中國承接了一個14百萬瓦(MW)的示範案,A123也準備在美國加州建置8MW的示範案,台灣則只有能元科技和國內的太陽能發電系統廠商合作,最近剛開始測試50千瓦(KW)的小型儲電系統。

能元科技執行副總經理楊家諭表示,鋰電池的特性是能量密度高,很小的質量、體積就能儲存相當多的電能,很適合用在講究輕薄短小的3C產品,以及需要盡量減輕負重的電動車。3C產品需要高能量密度、可長時間使用,以鋰鈷電池為主;電動車需要高電流,並特別強調安全性,在過充或因事故而導致電池受壓、穿刺時,不能造成嚴重危害,因此使用不容易產生氧氣的鋰錳、鋰鐵或鋰鎳錳鈷電池。

至於大型儲電,則是近兩年才開始受到注意的應用方向,尤其日本311地震造成嚴重缺電,更吸引全世界鋰電池廠大規模投入。因為不必過於強調輕薄短小,加上需要遠超過3C產品的使用壽命,因此比較常用鋰鐵或鋰鎳錳鈷電池。不過楊家諭強調,除了材料的選擇外,其他如整體電池設計、電解液的選擇與調配、電極板的配方與設計等,對儲電效能也都有很大的影響。

鋰是比較稀少的元素,價格偏高,是鋰電池儲電不易推廣的重要原因。工研院綠能所燃料電池計畫協同計畫主持人張文振表示,有一種做法是利用電動車汰換下來的鋰電池來儲電。電動車的鋰電池在使用一段時間後,瞬間放電能力會衰退得非常快,造成電動車喪失爆發力,當電池性能下降為80%,就不適合繼續做為動力來源,因此可以把這些汰換下來的鋰電池轉為儲電設施,延長其使用時間,降低成本。不過工研院綠能所企劃組組長何無忌指出,每個汰換下來的鋰電池其衰退程度、速度都不一樣,會造成電源管理的困擾,只要一個電池出問題,就會使整個系統產生危險,因此必須搭配很好的監控技術。

另一個方向是回頭研究鋰金屬電池。楊家諭表示,鋰金屬電池的安全問題來自於充放電時,鋰離子會在負極的鋰金屬電極表面形成樹枝狀結晶物,可能刺穿電池中間的隔離膜。可是鋰金屬電池的能量密度是鋰離子電池的好幾倍,因此許多人都在研究避免結晶的技術。

【欲閱讀完整的豐富內容,請參閱科學人2012年第123期5月號】

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