臺灣電網(wǎng)級儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展辨析

史美惠++畢少華

所謂儲能，主要是指電能的儲存，主要方式分為化學(xué)儲能（如電池），電磁儲能（如超導(dǎo)電磁儲能、超級電容器儲能等）和物理儲能（如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能）三大類。

儲能產(chǎn)業(yè)簡述

可以采用反復(fù)充電的干電池，如鎳氫電池，鋰離子電池等是我們最熟知的儲能器材，無論是手電筒、手機(jī)、平板電腦、照相機(jī)都離不開它。大功率場合一般采用鉛酸蓄電池，主要用于應(yīng)急電源、汽車、摩托車以及電廠富余能量的儲存。

學(xué)過物理的人都知道，電感器本身也是一種儲能元件，其儲存的電能與自身的電感和流過它本身的電流的平方成正比。由于電感在常溫下具有電阻，電阻要消耗能量，所以很多儲能技術(shù)采用超導(dǎo)體。此外，電容器也是一種儲能原件，其儲存的電能與自身的電容和端電壓的平方成正比。電容儲能容易保持，不需要超導(dǎo)體。電容儲能還有很重要的一點(diǎn)就是能夠提供瞬間大功率，非常適合于激光器、閃光燈等應(yīng)用場合。

飛輪儲能、超導(dǎo)電磁儲能和超級電容器儲能適合于需要提供短時較大的脈沖功率場合，如應(yīng)對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質(zhì)量，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等；而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學(xué)電池儲能則適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源并入等大規(guī)模、大容量的應(yīng)用場合。目前唯一可以大規(guī)模解決新能源儲能的技術(shù)是抽水蓄能，但是抽水蓄能電站建設(shè)必須有水源，而很多風(fēng)電與太陽能豐富地區(qū)卻往往是缺水地區(qū)。

近年來，由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，有力地推動了電網(wǎng)級大容量儲能技術(shù)的發(fā)展，在很大程度上解決了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電因四季風(fēng)力變化、晝夜日照強(qiáng)度不同所帶來的電力強(qiáng)度隨機(jī)性、波動性問題，可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，能有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，使大規(guī)模風(fēng)電及光伏發(fā)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)。

尤其是對已經(jīng)大量布局的臺灣風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，因風(fēng)力資源具有不穩(wěn)定和間歇式的特點(diǎn)，風(fēng)速時大時小，時有時無；此外，風(fēng)力資源較大的后半夜又通常是用電低谷，因此雖然近年來風(fēng)光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，但由于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)接納能力不足、風(fēng)電場建設(shè)工期不匹配等導(dǎo)致部分風(fēng)電場風(fēng)機(jī)暫停的現(xiàn)象一直廣泛存在，“棄風(fēng)”、“脫網(wǎng)”現(xiàn)象日益突出，不僅嚴(yán)重影響到風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)性，更打擊了風(fēng)電投資的積極性。而儲能技術(shù)的應(yīng)用能夠優(yōu)化風(fēng)電并網(wǎng)，可以幫助風(fēng)電場輸出平滑和“以峰填谷”。

儲能技術(shù)可以說是新能源產(chǎn)業(yè)革命的核心，其作為提高電網(wǎng)柔性、提高本地電網(wǎng)消納風(fēng)電能力的關(guān)鍵技術(shù)之一，有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。具體來說，儲能的調(diào)峰調(diào)頻能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快、信息化自動化程度高，方便電網(wǎng)調(diào)度；同時減少了備用機(jī)組容量，提高機(jī)組運(yùn)行效率，減少溫室氣體排放。此外，儲能的技術(shù)選擇多、施工安裝簡便，施工周期也短，其產(chǎn)業(yè)巨大的發(fā)展?jié)摿Ρ貙?dǎo)致這一市場的激烈競爭，可快速成長為在全球有重要影響的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，也將極大促進(jìn)全球新能源的規(guī)?；l(fā)展。

如今世界各國和地區(qū)都在扶持儲能產(chǎn)業(yè)。歐洲國家普遍都以補(bǔ)貼形式支持儲能，德國從2013年5月起對光伏電站儲能裝置進(jìn)行補(bǔ)貼，新儲能裝置補(bǔ)貼835美元/千瓦，升級采購原有儲能裝置補(bǔ)貼919美元/千瓦。德國還發(fā)起儲能啟動基金項(xiàng)目，籌集2.8億美元用于投資儲能研發(fā)。英國從2013年起，政府提供3324萬美元自主開發(fā)電網(wǎng)級儲能技術(shù)。意大利也對儲能項(xiàng)目進(jìn)行政府補(bǔ)貼。歐洲儲能協(xié)會和歐洲能源研究聯(lián)盟發(fā)布了電網(wǎng)規(guī)模儲能技術(shù)路線圖，為支持儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展給出了高層次市場設(shè)計(jì)建議。美國部分州通過法案，規(guī)定公用事業(yè)公司要完成儲能設(shè)備的采購和安裝量，推動儲能技術(shù)的研發(fā)和競爭。日本政府則對家用和商用電池儲能系統(tǒng)提供專項(xiàng)補(bǔ)貼。

根據(jù)全聯(lián)新能源商會和漢能集團(tuán)2014年發(fā)布的《全球新能源發(fā)展報告》，顯示2013年全球儲能新增裝機(jī)容量（不包括抽水儲能和冰蓄能）達(dá)到208兆瓦；全球儲能融資總額2013年達(dá)到38億美元，是2012年的1.8倍。其中美國的融資額9.3億美元，占全球融資總額的24.4%，中國大陸融資額1.7億美元，約占4.5%。截至2014年3月24日，全球累計(jì)實(shí)施儲能項(xiàng)目335個；預(yù)計(jì)到2020年，全球儲能市場年度投資額達(dá)到47.4億美元。

臺灣儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境分析

由于臺灣能源大量仰賴進(jìn)口，臺當(dāng)局近年推動能源自主，積極提高太陽光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、海洋能發(fā)電等可再生能源供應(yīng)比例，以持續(xù)降低對化石能源及核能依賴，對電網(wǎng)級儲能技術(shù)的需求日益增加，開始積極鼓勵島內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)投入相關(guān)科技研發(fā)，這不僅有助于智慧電網(wǎng)的運(yùn)行，本身也正在形成規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)。

基于臺灣地理環(huán)境與電網(wǎng)需求條件等相關(guān)因素，在現(xiàn)有發(fā)展或商業(yè)化大型儲能技術(shù)中，已發(fā)展出以水力儲能方式為主的儲能方式。以位于南投縣水里鄉(xiāng)明潭村（約在日月潭西方約3.5公里處）境內(nèi)的大觀發(fā)電廠為例，其原名為日月潭第一發(fā)電所，1928年動工建設(shè)，1934年7月完工發(fā)電，1948年改名大觀發(fā)電廠。其主壩為混凝土重力壩，壩高48.5米，壩長91米，引水隧道長13，727米，進(jìn)水口最大取水量44.45米3/秒，發(fā)電用水量41.53米3/秒；電站有效落差320米，共裝設(shè)5臺水輪發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量11萬千瓦，年發(fā)電量約5億千瓦時。二廠為抽水蓄能電廠（又稱明潭抽蓄工程），1981年動工，1985年建成投運(yùn)，總投資約510億新臺幣，設(shè)有兩條引水管道，每條引水管道包括引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、岔管及支管。引水隧洞長度約3.2千米，洞內(nèi)徑6.8米，采用鋼筋混凝土襯砌，在約2.2千米處采用鋼管橋涵穿過頭社溪河。電站廠房設(shè)于下池壩左岸山腹內(nèi)，以日月潭為上池，水中游筑一壩為下池，上池水位748.48米（高）/728.00米（低），有效容量142.4×106立方米；下池水位448.50米（高）/428.00米（低），有效容量8.1×106立方米。共裝6臺抽水蓄能發(fā)電機(jī)組，其中包括6臺可逆式水泵水輪機(jī)，總裝機(jī)容量為265兆瓦，發(fā)電280兆伏安。

明潭抽水蓄能電廠隸屬臺電公司，機(jī)組平均年運(yùn)行小時數(shù)為4092小時，年均啟動次數(shù)741次/臺，共有126名工作人員，除負(fù)責(zé)6臺抽水蓄能機(jī)組外，還管理1臺常規(guī)機(jī)組。從臺灣電力公司總調(diào)中心可遠(yuǎn)方開啟該廠的抽水蓄能機(jī)組，利用離峰時間剩余電能將低海拔處的明湖水庫存水抽至高海拔處的日月潭中，至尖峰用電時再由日月潭放水發(fā)電來補(bǔ)充發(fā)電量的不足，可以有效提升電能價值。由于臺灣實(shí)行兩部制電價和峰谷電價，其最高電價與最低電價之比約為8.3：1，因此抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)效益也十分顯著。

總體而言，臺灣島內(nèi)水資源豐沛，應(yīng)有足夠開發(fā)水力儲能潛力，但由于水力儲能需要的土地面積很大、建設(shè)時間長、初期建置成本高等缺點(diǎn)外，再加上土地開發(fā)所牽涉環(huán)保問題，故必須先期進(jìn)行抽蓄水力儲能可行性分析，以確保符合各方面需求。

依據(jù)美國能源部經(jīng)驗(yàn)，欲消除電網(wǎng)因風(fēng)力及太陽能上網(wǎng)的瞬間變化，需高反應(yīng)速率儲能裝置，容量為電網(wǎng)上再生能源裝置容量的8%～15%；另外，為消除每日作息活動造成的尖、離峰用電差異，需安裝電網(wǎng)上再生能源裝置容量約20%的儲能裝置。

以規(guī)劃中的再生能源裝置容量而言，太陽光電產(chǎn)生于用電高峰，不需削峰填谷，僅風(fēng)力發(fā)電需此項(xiàng)儲能設(shè)備，即使以2030年風(fēng)力裝置容量4.2吉瓦（1吉瓦等于1000兆瓦）來衡量，電網(wǎng)儲能的需求僅大于336兆瓦，島內(nèi)現(xiàn)有的明潭及大觀抽蓄發(fā)電廠已可滿足。但若為穩(wěn)定再生能源電力的瞬間起伏，以2030年4.2吉瓦風(fēng)電及3.1吉瓦太陽光電衡量，島內(nèi)需要的儲電設(shè)備約在584兆瓦至1吉瓦之間，目前尚無解決的方式與對應(yīng)技術(shù)。

根據(jù)臺灣工研院的調(diào)查分析，島內(nèi)儲能方面的需求遠(yuǎn)小于歐美等發(fā)達(dá)國家，因此儲能技術(shù)發(fā)展方向除應(yīng)顧慮島內(nèi)儲能需求與使用情境外，更應(yīng)該思考是否可同時帶動或是促進(jìn)本地儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如此才能在未來儲能產(chǎn)業(yè)上快速建立島內(nèi)的發(fā)展優(yōu)勢與領(lǐng)先地位。

目前抽蓄水力儲電約占全球儲電設(shè)施容量的99%，除此系統(tǒng)外，現(xiàn)今世界各國和地區(qū)儲能系統(tǒng)發(fā)展方向仍在試驗(yàn)階段，不論是機(jī)械能、電能、化學(xué)能等儲能種類均被視為具有發(fā)展?jié)撃艿倪x項(xiàng)，但從可再生能源建設(shè)方式與地點(diǎn)分布及經(jīng)濟(jì)發(fā)展與既有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢觀點(diǎn)上而言，目前較適合發(fā)展高技術(shù)層面的儲能元件及電力管理系統(tǒng)，如預(yù)測技術(shù)、儲能元件、控制技術(shù)以及負(fù)載管理技術(shù)等。

其中，適當(dāng)?shù)恼显偕茉磁c儲能技術(shù)將可幫助再生能源發(fā)展，增加再生能源市場占有率，進(jìn)而有效利用地球資源并降低污染。另一方面，分散型微電網(wǎng)可獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)或與電網(wǎng)相連接，如何進(jìn)行微電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)、電壓控制、功率分配、孤島運(yùn)轉(zhuǎn)檢出及電力品質(zhì)保持等運(yùn)轉(zhuǎn)與控制技術(shù)是一大挑戰(zhàn)，島內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已著手進(jìn)行研究如何整合區(qū)域分散式電源的有效利用，除市電斷電時可利用這些分散式電源，形成孤島供電以提高供電可靠度外，另外可結(jié)合儲能或電力電子相關(guān)技術(shù)，利用區(qū)域的分散式電源來提升電力品質(zhì)，以及減少對電網(wǎng)的沖擊影響，以有效排除大量使用再生能源發(fā)電系統(tǒng)所面臨的技術(shù)問題。

臺灣儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)與策略

目前臺灣儲能關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)主要目標(biāo)在于：不僅有助于積極提高太陽光電、風(fēng)力發(fā)電等再生能源供應(yīng)比例，以再生能源極大化的思維，持續(xù)降低對化石能源及核能依賴之外，更可以發(fā)展成一種全球產(chǎn)業(yè)，爭取未來商機(jī)協(xié)助島內(nèi)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行技術(shù)升級，在島內(nèi)建立相關(guān)技術(shù)自主能力，發(fā)揮以低成本創(chuàng)造高性能元件優(yōu)勢。并于未來藉由推動島內(nèi)儲能相關(guān)新興產(chǎn)業(yè)的建立，并成為上、中、下游整合的產(chǎn)業(yè)鏈，通過策略聯(lián)盟方式與儲能系統(tǒng)應(yīng)用端進(jìn)行結(jié)合，形成完整產(chǎn)業(yè)連結(jié)，開創(chuàng)具國際競爭儲能產(chǎn)業(yè)。

建立臺灣電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)控制的關(guān)鍵技術(shù)，未來再生能源裝置量提升后，可發(fā)揮整合協(xié)調(diào)控制績效，做最有效的管理運(yùn)用，協(xié)助政府推動節(jié)能減碳政策，并帶動儲能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。藉由儲能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，提升島內(nèi)儲能產(chǎn)業(yè)與建立新型營運(yùn)模式。通過建立驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室，提升產(chǎn)品與系統(tǒng)可靠性，并符合國際相關(guān)規(guī)范，促進(jìn)島內(nèi)廠商的國際競爭力。臺灣整體技術(shù)研發(fā)策略規(guī)劃著重于金屬空氣液流電池儲能系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)并聯(lián)管理技術(shù)兩項(xiàng)技術(shù)研發(fā)。

根據(jù)臺灣工研院的分析報告，未來島內(nèi)技術(shù)電網(wǎng)級儲能發(fā)展重點(diǎn)如下：

儲能電池系統(tǒng)

目前在島內(nèi)投入儲能電池系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域內(nèi)，主要為投入電網(wǎng)級金屬空氣液流電池與氧化還原液流電池技術(shù)開發(fā)，因而電池技術(shù)上的發(fā)展重點(diǎn)為：

（1）金屬空氣液流電池儲能系統(tǒng)，包括高循環(huán)壽命空氣電極及觸媒技術(shù)、高能量金屬電極與電解質(zhì)開發(fā)技術(shù)、金屬空氣液流電池組設(shè)計(jì)及建立測試平臺。

（2）氧化還原液流電池儲電關(guān)鍵組件技術(shù)與系統(tǒng)，包括建立液流電池特性研究測試實(shí)驗(yàn)平臺及標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)高效率的離子交換薄膜材料、電極等材料及制程技術(shù)，建立穩(wěn)定性高活度電解液制備技術(shù)、電池堆的設(shè)計(jì)組裝測試技術(shù)。

儲能系統(tǒng)并聯(lián)管理

目前島內(nèi)投入儲能系統(tǒng)并網(wǎng)管理研發(fā)主要為再生能源領(lǐng)域研發(fā)、建置與電能管理平臺部分，主要著重于電能管理相關(guān)控制技術(shù)，其研究重點(diǎn)包括：

（1）電能管理控制技術(shù)，包括市電并聯(lián)與孤島運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無縫切換、再生能源高占比技術(shù)、負(fù)載管理及卸載策略的控制技術(shù)、能源最佳運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)度技術(shù)、微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線控制技術(shù)。

（2）預(yù)測技術(shù)，包括太陽光電出力預(yù)測技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電出力預(yù)測技術(shù)、負(fù)載用電預(yù)測技術(shù)。

（3）儲能并網(wǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，包括復(fù)合式儲能電源轉(zhuǎn)換技術(shù)、儲能并網(wǎng)控制技術(shù)。

（4）電池管理技術(shù)，包括儲能元件最佳化控制與管理技術(shù)、儲能元件最佳化平衡控制技術(shù)。

相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

金屬空氣液流電池儲能系統(tǒng)

（1）高循環(huán)壽命空氣電極及觸媒技術(shù)：包括已完成高效能的氧氣還原觸媒（二氧化錳）與氧氣生成材料（NiFeLDH/ graphene）復(fù)合空氣觸媒材料制程開發(fā)，并進(jìn)行相關(guān)材料與電化學(xué)性質(zhì)分析；在10毫安/平方厘米充放測試條件下，空氣電池的充放電效率可高于68%。目前正在進(jìn)行碳電極材料表面改質(zhì)，藉以提升其電化學(xué)活性，并進(jìn)行其親水性、循環(huán)伏安氧化還原、電極阻抗及電化學(xué)阻抗量測分析。改質(zhì)后的碳電極材料于放電電流密度72毫安/平方厘米以下，工作電壓仍可維持>1.0伏。

（2）高能量金屬電極與電解質(zhì)開發(fā)技術(shù)：完成金屬電極制作與電化學(xué)性質(zhì)分析（充放電測試），鋅電極充放電（10毫安）效率目前可達(dá)50%。在離子液體（EMI-TSFI/AlCl3）電化學(xué)性能驗(yàn)證方面，通過前10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其庫倫效率均可維持在80%左右，但經(jīng)過20次循環(huán)后其效率則衰退至<60%。

（3）金屬空氣液流電池組設(shè)計(jì)及建立測試平臺：完成金屬空氣液流電池組設(shè)計(jì)，其主要技術(shù)特征包含環(huán)境空氣的自然呼吸進(jìn)氣與電解液強(qiáng)迫對流供應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)可達(dá)成長效壽命的充放電操作的可行性驗(yàn)證。根據(jù)金屬空氣液流電池組測試需求，完成規(guī)劃測試與驗(yàn)證平臺，包括充放電機(jī)、充放電控制系統(tǒng)、電解質(zhì)槽及循環(huán)熱泵等。

儲能系統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)

（1）微電網(wǎng)電能管理技術(shù)開發(fā)：已完成微電網(wǎng)電能管理平臺的操作模式與相關(guān)控制的資料搜集，并完成微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)的負(fù)載預(yù)測功能。

（2）儲能系統(tǒng)控制技術(shù)開發(fā)：完成三相100千瓦高功率電網(wǎng)級并網(wǎng)控制雙向直流轉(zhuǎn)交流轉(zhuǎn)換器功率電路，以及控制電路設(shè)計(jì)。功率電路分為直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器，以及直流轉(zhuǎn)交流轉(zhuǎn)換器兩部分，直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器采隔離型設(shè)計(jì)，電池端電壓范圍為數(shù)百伏特；直流轉(zhuǎn)交流轉(zhuǎn)換器輸出三相交流電壓，采全數(shù)位化控制，具有市電并網(wǎng)、電壓補(bǔ)償功能及平滑再生能源輸出功能。

（3）電池管理系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)：已完成液流電池的參數(shù)篩選評估，包括全釩液流電池、鋅/溴電池、鋅/空氣電池等。相關(guān)評估的參數(shù)包括電極、電解液、隔離膜、溫度及熱泵等。完成電池組電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括非消耗式多繞組變壓器、主動式電位平衡器設(shè)計(jì)，管理系統(tǒng)功能包括電池電壓、電流、溫度監(jiān)測以及單電池平衡等。

（4）儲能示范場域規(guī)劃：完成島內(nèi)一處儲能示范場域規(guī)劃，包括再生能源、負(fù)載與天氣等相關(guān)歷史數(shù)據(jù)搜集，并完成再生能源、負(fù)載與天氣等相關(guān)歷史數(shù)據(jù)資料的整理與分析。

推廣應(yīng)用成果

依臺灣行政主管部門2012年9月3日核定的“智慧電網(wǎng)總體規(guī)劃方案”核復(fù)意見，決定將電網(wǎng)級儲能技術(shù)研發(fā)合并至“建置澎湖低碳島專案計(jì)劃”（推動期程2011年至2015年）中，提出加速建立澎湖整合集中試運(yùn)轉(zhuǎn)場域，以驗(yàn)證智慧電網(wǎng)效能。

目前島內(nèi)科技主管部門已選定澎湖作為整合型智慧電網(wǎng)示范場所，決定在此導(dǎo)入儲能并網(wǎng)設(shè)備，提供島內(nèi)企業(yè)進(jìn)行降低尖峰負(fù)載以及再生能源占比極大化的技術(shù)試驗(yàn)平臺，希望通過此項(xiàng)示范模式，將可作為未來臺灣智慧電網(wǎng)總體規(guī)劃方案第二階段的實(shí)施參考，并將其推廣到所有離島地區(qū)，以解決離島發(fā)電成本高昂與電力品質(zhì)不佳的困擾。