儲能技術比較:目前最可靠的儲能系統

儲能技術比較:目前最可靠的儲能系統


  這幾年儲能概念股夯,談到儲能,所有焦點都集中在鋰電池,可是不只鋰電池儲能,很多東西都可以儲能,之所以一直談鋰電池,是因為鋰電池是目前高手擂台上最具冠軍相的選手。我們今天就花三分鐘的時間,為你建構系統性的儲能系統知識框架。

三種儲能方式:物理儲能、電磁儲能、電化學儲能  

       儲能是先將電力轉化為其他形式的能量,存放在「儲能裝置」中,並在需要時釋放,在充電與放電的過程中,自然實現了能量的跨時間轉移,如同「水庫」居中做個「削峰填谷」調節:水多的時候儲存起來,水少的時候放出來大家用,這就是儲能的角色。

  儲能裝置有多種方式,我們可以將電能轉化為動能、位能和化學能等,對應能量轉換方式的不同,目前主要的儲能類型分為物理儲能、電磁儲能、電化學儲能。有些分類會拆分成五類甚至更多,我建議不需要花時間糾結在分類上,這種糾結拿來搞學術可以取得相當的成就,但如果你是個創業者或是投資人還這麼想,我建議你應該改行。

種類 典型額定功率(kW) 額定功率下的放電時間 特點 應用場景
物理儲能 抽蓄水力儲能 100,000~2,000,000 4~10小時 合適大規模儲能、技術成熟、充放電速度中等、受地理條件限制 調峰、日負載調節、頻率控制、系統備用
壓縮空氣儲能 10,000~300,000 1~20小時 合適大規模儲能、充放電速度慢、受地理條件限制 調峰/調頻、系統備用、平滑可再生能源功率波動
飛輪儲能 5~10,000 1~1,800s 壽命長、無污染、成本高 調峰、頻率控制、電壓控制、不斷電電源
電磁儲能 超導儲能 10~50,000 2~300s 充放電速度快、需要低溫條件才能運行、成本高 輸配電穩定、抑制震盪
超級電容儲能 10~1,000 1~30s 充放電速度快、成本高 頻率控制、電壓控制
電化學儲能 鉛酸電池 幾千瓦~幾萬千瓦 幾分鐘~幾小時 技術成熟、成本低、壽命短、存在環保問題 備用電源、全黑啟動
鋰電池 幾千瓦~幾萬千瓦 幾分鐘~幾小時 能量密度高、壽命與安全問題仍需要持續改善 頻率控制、電壓控制、備用電源、平滑再生能源功率波動
液流電池 5~100,000 1~20小時 壽命長、可深度放電、便於組合、環保、能量密度稍低 備用電源、平滑再生能源功率波動
鈉硫電池 100~100,000 數小時 需要高溫條件才能運行、安全問題有待改善 頻率控制、電壓控制、備用電源、平滑再生能源功率波動
鋁電池 幾千瓦~幾萬千瓦 幾分鐘~幾小時 能量密度稍低、安全性高 備用電源、全黑啟動、其他對能量密度要求不高的應用

(表一)三種主要儲能方式比較表
資料來源:謝芳吉

全世界最大的儲能系統是抽蓄水力儲能,而且短期來看它的主導地位不會改變

  我們先來理解物理儲能。物理儲能包括抽蓄水力儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。抽蓄水力機組除了用來發電,也就是我們平時理解的「水力發電」之外,反向過來也可以做為儲能電池,供電力調度之用。抽蓄水力儲能容量大、儲電成本低,可以說是一個天然電池,而且短期來看它的主導地位不會改變。

  但抽蓄水力儲能並沒有太大的成長潛能,因為它的建設完全依賴於地理條件,也就是說當地水資源是否足夠豐富且穩定供應,這幾年開始,新建的水庫幾乎都面臨到生態與環境爭議而擱置。2016年以來全球的抽蓄水力機組裝機量僅成長0.6%。

  壓縮空氣儲能顧名思義是用空氣作為能量的載體,利用電力將空氣壓縮,儲存在廢棄礦井、過期油氣井或儲氣井、海底、鹽洞等,當需要時再將壓縮空氣與天然氣混合,加熱燃燒推動渦輪機發電。雖然運作仍然需要化石燃料,但還算環保,技術特點是輸出功率大(MW級);持續時間長,可達數小時;運行壽命長,可循環上萬次,壽命可達40年。缺點是受地理結構限制,建設成本高,應用上不易普及。

  飛輪儲能同樣顧名思義,是用電力將一個圓柱體用非常快的速度在真空中加速,從而將電能以動能的形式儲存起來,再把動能轉成電能使用。飛輪儲能常用於工業裡的不斷電系統UPS中,或於電網上進行頻率控制和電壓控制,技術特點是儲能效率高達90%、使用壽命長、環保無污染、使用起來很簡單。缺點是能量密度低、保養費用昂貴、性價比差。

超導儲能和超級電容儲能目前成本都很高,短時間不會大量應用

  電磁儲能包括超導儲能和超級電容儲能。超導儲能是把超導材料製成的線圈放在臨界溫度的容器中,在這麼極端溫度的環境之下,超導體內的電阻是零,傳輸電能時不會有電力損失,能量就以超導線圈中循環流動的直流電儲存在磁場中。

  但是為了要實現超導儲能,它需要耗費能源創造出臨界溫度的環境,實在是太貴了,也不夠環保,而且能儲能的時間非常短,雖然已有超導儲能產品可用,但在電網中應用很少,大多是試驗性的。

  超級電容儲能則是採用特殊電極結構,使電極表面積增加幾萬倍,從而產生很大的電容量,技術特點是充放電速度快,可循環使用次數高,用在公車或捷運上,能夠在加速時快速放電,在刹車時回收能量,即使頻繁加速、刹車也不會影響電池壽命。

全世界成長最迅速的儲能系統是電化學儲能,其中又以鋰電池儲能最具冠軍相

  電化學儲能是近年最熱門,這也是近年來發展最迅速的儲能類型。2018年可以說是電化學儲能的元年,也是集中爆發的一年,電化學儲能的種類非常多,其中鉛酸電池挾帶非常低廉的成本優勢,大量使用在動力電池例如汽機車的啟動電瓶、電動自行車,以及儲能電池如不斷電系統等。但其問題在於使用壽命短,不環保。

  鋰電池最大的優勢就是能量密度高,製造成本隨著電動車市場的規模效應而不斷下降,是目前電化學儲能應用最多的電池。

  液流電池有好幾種,我們最常聽到的是全釩液流電池。技術特點是使用壽命長、充放電性能良好、容量也可達MW級,適合於應用在電力系統中,但製造成本較高。

  鈉硫電池的技術上有個前提,其電池的運行溫度需保持在300℃以上,以使電極處於熔融狀態。再加上製造成本也高,因此比較少大規模應用。

  另一個是最近新聞常出現的鋁電池,鋁、石墨這種材料產量豐富,量產時,較其他電池便宜,而且壽命長、沒有有機溶劑在其中。它的缺點就是能量密度不夠高,所以要慎選應用場景。

  我們在理解或使用儲能電池的技術時,要先接受一個思維前提:這個世界上沒有一種完美的儲能技術,我們只是在不同的應用場景裡做了選擇。天生我才必有用,各種儲能電池技術都有其合適的應用場景,有它的優勢也有它一定的限制。

  看完這篇文章相信可以幫助你脫離一知半解,不再靠著吸收碎片化的知識或資訊,片面解讀儲能。如果你還想了解更多,邀請你註冊登入成為綠學院用戶,綠色產業最前沿的趨勢、商機、人脈、資金一鍵抵達,也歡迎參加產業小聚,認識更多A咖!

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