【能源科技】太阳能过去、现在与未来(五):稳定供电

发布于:2020-06-13 分类:视界方面   

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(五):稳定供电

複习一下前四篇,太阳能在安装自动化以及奈米科技加持下,成本持续下降,而结合太阳能热水「旧」科技,更让IBM喊出每度电10美分的目标,直逼燃煤发电,接下来我们探讨了太阳能不只无所不在,还可无孔不入,渗透到大楼建筑的屋顶甚至每扇窗户,解除了佔地面积的疑虑,在可见的未来,太阳能的想像空间远比10年前所能想像的更宽广远大得多。但是太阳能最让人垢病的「看天吃饭」问题呢?

太阳能的动态稳定优势

事实上,太阳能是具有动态稳定优势的能源,电力来源跟水不一样,用多少电就得随时发多少电,太多太少都不行,所以「稳定」这个概念并非一直输出同样的电力,而是供需可以调配,太阳能虽然无法在电力需求增加时提高发电能力,但太阳能发电的高峰,恰好离用电尖峰不远,可说是被动式的稳定。

以德国为例,今年6月6日的尖峰用电时间,德国的太阳能电池发电打破新高峰记录,达23.4吉瓦(Gigawatts),光是太阳能电池发电就佔了德国当日尖峰用电的40%之多,观察德国前后数日的电力供需图,可以发现太阳能的发电量(白天、中午最高)与德国的用电量是同起同落。 【能源科技】太阳能过去、现在与未来(五):稳定供电

credit: AGORA

由德国的状况可以理解,太阳能的动态稳定优势刚好可以平衡尖峰需求,另一方面,大楼屋顶加装太阳能电池或是太阳能热水複合装置,除了发电、节能以外,也减少了太阳照到大楼的热度,从根本上降低空调需求。

台湾发展太阳能更优于德国,因为欧洲国家最大能源需求高峰是在冬天的取暖用能源,太阳能到了冬天反而与取暖高峰相反,德国只有夏天才能笑,冬天太阳能就靠不大住了,但是台湾位于亚热带,用电尖峰都在炎炎夏日,日照越高越热时,越是用电尖峰,夏天若遇颱风来袭,固然太阳能无电,但颱风来天气凉,冷气也不用开,供需一致。

太阳能稳定供电问题主要来自云

所谓太阳能的稳定供电问题,并非一般人认知的「夜间无电」,事实上,对于晚上一定没有电这种可完全预期的电力供应变化,电网很容易规划安排,而所谓太阳能的稳定供电问题,其实指的是如果有一大片云飘过大型太阳能发电厂,电力供应会突降,导致电力网路调控不及,发生跳电危机。

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因此,在太阳能发展之初,许多人都抱持怀疑态度,这点与陆上风力发电害怕预期之外的风速变化有异曲同工之妙,甚至有极端者认为只要太阳能与风力发电超过10~20%,电网就会崩溃。由于许多国家已经超过这个数字,如葡萄牙风力发电佔27% ,以及上述德国太阳能电池发电佔尖峰用电40%,因此这种杞人忧天的说法已经不攻自破。

传统的电网调控是以小时为单位,而燃煤发电增开机组时间相当缓慢,燃油发电较快些,但也没有好到哪去,的确很难处理突发状况,但是随着各国发展智慧电网,未来主流调控时间将以15分钟为单位,此外,新式天然气发电厂也成为太阳能与风力的最新「好朋友」。

奇异的「弹效」系列 可因应极端电力调度需求

去年10月,奇异(GE)推出「弹效」(FlexEfficiency)系列最新燃气发电涡轮,简称F系列,除了热效率达61%以外,奇异最得意的就是F系列涡轮可在13分钟内从输出750MW降到100MW,再升回750MW,应变能力是现有燃气涡轮的2倍,可因应最极端的电力调度需求,即使在冷机状态下也能在半小时内开机。

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credit: GE

如F系列这样的新燃气发电涡轮,可以平衡太阳能与风力的突降问题,而太阳能与风力相较,太阳能更佔优势,因为陆上风速变化有时很难预测,但大型太阳能发电厂「怕云遮」的问题,因为云的行经路线可几乎完全预测,搭配燃气作为平衡,在云飘来之前提早开机或提升输出,即可完全弥补。

但是,靠别人来顶,算什幺英雄好汉?许多企业──包括奇异──与新创事业针对太阳能的稳定供电需要,提出另一方面的解决方案,即能源储存。

聚光式太阳能的能源储存方式

太阳能发电大体上可分为聚光式太阳能,以及太阳能电池两种。聚光式太阳能目前的主流能源储存方式为熔盐储热,将阳光的热度聚焦在聚热塔上时,不是直接加热水,而是先加热熔盐,把热能储存在熔盐中,之后需要时再以熔盐的热度煮水产生蒸汽来发电。

由上述原理可知,聚光式太阳能搭配熔盐储热之后,不仅完全没有「云遮阳」的问题,还可储存热能到夜间发电,连同夜间供电问题一併解决,目前许多聚光式太阳能计画熔盐储热能力设计可达6小时,其主要目的即是供应晚上7~8点的电力需求高峰,以取得更好的发电营收,有的计画甚至到12小时,可以整晚供电。

由此可知,聚光式太阳能部分无需讨论所谓稳定供电问题,也没有夜间供电问题。

太阳能电池的能源储存方法

太阳能电池的主流能源储存方式则是各种电池储能,这首先牵涉成本问题,若配备越多的电池,成本就越高,因此电网级的电池储能到底需要多久,一直众说纷纭。

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大部分专家同意,在太阳能电池与风力发电未超过20%以前,电网可吸收他们产生的变化,不需要任何能源储存,但是20%以上就会有潜在问题,若达30%到40%,一般认为太阳能电池与风力发电至少需建立15分钟的电池储能。

不过奇异则更大胆,奇异提出只要以智慧软体调控,可大幅减少电池储能的需求,奇异最新巨型风力发电机发电容量为2.5百万瓦(MW),若要储能15分钟,应内建625度电的电池储能,但奇异表示:透过準确的风力预测以及智慧调控风车转速,只要25度电的电池储能就足够在风速变动时,仍能持续稳定供电15到60分钟,因为电池只是要补上发电的差额,不是完全由电池供电,奇异在该风机上内建50度电的电池储能,自认为绰绰有余。

不过其他专家则持保留态度,并认为在某些状况下,储存15分钟仍嫌不足。而目前主流看法认为,若有一国家达到100%可再生能源,则预计至少需要数小时的能源储存能力,以备不时之需。

当电网把能源储存视为成本时,许多新创事业则把它视为庞大的商机,因应电网级能源储存总量极大,但单价要低的需求,许多新旧电池技术应运而生。以下我们介绍几款电池。

一、电池技术的革新─钠镍卤化物电池

奇异在此一领域自然不可能缺席,2007年奇异买下英国钠镍卤化物电池厂Beta R&D,取得钠镍卤化物电池技术,建立「独拉松」(Durathon)电池品牌,钠镍卤化物电池能量密度只相当于镍氢电池,寿命中等,好处是可耐极端温度,材料可完全回收、不具毒性。

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credit: GE

去年9月,奇异宣布独拉松电池已接获6,300万美元订单,主要为开发中国家手机基地台提供能源储存,在电力系统不稳时作为备援电力。而奇异新风力发电机内建的电池自然也是独拉松。

二、电池技术的革新─钠硫电池

另一方面,日本经济产业省前身通商产业省(MITI),在1980年「月光计画(Moonlight Project)」中,就已经提出的钠硫电池与液流电池,也随着能源储存需求再度浮上台面。

日本在1983年起由东京电力公司和日本碍子株式会社(NGK)合作开发钠硫电池,于2002年开始出货,成为世界上主要的钠硫电池开发与生产者,但由于日本先前仰赖核能,能源储存需求不高,发展并不顺利,2011年9月,三菱材料筑波厂的钠硫电池起火,更导致NGK于2012年全面回收产品。

而在日本灰头土脸的同时,今年2月,美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab)发表新的钠硫电池技术,运作温度降至60°C,并提高安全性,延长使用寿命,未来技术成熟后可望积极抢攻能源储存市场。

三、电池技术的革新─液流电池

日本「月光计画」中,有2种液流电池,液流电池寿命超长几乎可无限次使用,安全性与稳定性高,但体积庞大,不适用于行动装置与汽车,只适用于固定式大型能源储存装置,可想而知,日本又是先耕耘却无力前进。

如今电网级能源储存需求兴起,可能欢呼收割的又是美国,美国新创公司EnerVault提出低成本新材料、诞生自麻省理工学院(MIT)的新创企业Sun Catalytix也看中液流电池,史丹佛大学的崔屹(Yi Cui)则提出锂硫半液流电池的想法。

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(五):稳定供电credit: EnerVault

四、电池技术的革新─液态金属电池

在众多电池技术中,液态金属电池相当受到瞩目,其原因是上了TED,在TED大会上,MIT教授Don Sadoway传达创新观念以外,更表示发展新科技过程中,脑袋装满旧知识的资深者反而受到旧观念限制无法自拔,他一开始请了毫无经验的新手,反而有很多突破,后来公司成立,请的全都是年轻人。

发展液态金属电池的灵感来自于炼铝业,炼铝业以霍伯法(Hoope’s process)精化铝,霍伯法炼铝槽相当于是一个液态金属电池,不过是只充电不放电,炼铝业耗用大量电力,相当于是液态金属电池可承受极大电流,同样的原理应可用于电网规模的能源储存。

目前液态金属电池原型已可达到每度100美元以下目标,在价格上可以和压缩空气能源储存(Compressed Air Energy Storage, CAES)一较高下,未来甚至可望挑战抽蓄水力发电的能源储存成本。

Don Sadoway发展的技术虽然不适合台湾──地震时液态金属电池受摇晃会短路──不过他的观念,倒可以让老是「往后看」,又深受青年就业问题所苦的台湾好好参考。

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