在全球节能减碳风潮日益扩散下, 撙节石化能源电力及使用再生能源的意识持续升高, 太阳光电及风力发电的导入与分布式电源的发展也逐步展开中. 这个趋势促成全球能源朝着分散化, 复杂化的方向发展, 也因为变动性电源的快速成长而使电力环境的稳定面临挑战.
为使这日趋复杂的电力系统维持过去稳定的供应, 同时达到电力清洁化的效果, 有效的管理为重要的手段, 而运用储电系统调控为目前可快速解决问题的手法之一. 由各国陆续提出储电之相关政策作为, 与厂商持续布局该市场, 可见得各界期望在分散化能源的态势下, 以聪明的管理方式来解决.
储电设备扮电力系统重要角色
由于电力无法储存, 若是再生能源产生的电力又有相当大的变动性, 因此运用储电设备进行适当的电力调度, 是电力公司近年常用的手法. 目前除了以水库等大型水力抽蓄设施储能外, 最常见的还是以化学能型态的电池式储电处理.
储电设备运用于电力系统的功能, 在美国能源部的定义中高达二十数种(表1), 可见该技术及产品一直受到能源或电力界相当大的重视, 甚至对于美国等早期导入电网的先进国家而言, 更是电网现代化的重要手段.
常见的储电应用之功用, 可归纳为以下几类:
第一类: 可将电力暂时储存, 在需要时释放电力, 减少自电力公司的电力需求. 这是目前最被广为认知的作法, 常用于电网链接之住家及工商业建筑与再生能源并用, 除可减少电费账单外, 也可达到电力需求削峰填谷的效果. 这对于以再生能源趸购费率低于一般电费之地区, 或有明显时间电价的地区而言, 有相当的市场潜力.
第二类: 运用储电设备, 组成区域型(如大型建物, 小区, 有限地域等)微电网, 并达到区域内电力互相支持, 调度之功能, 更进一步可发展为虚拟电厂(Virtual Power Plant)之概念.
第三类: 在无电网地区, 可藉由再生能源, 柴油发电及储能等设备组成小型独立电网或电力供应系统. 是在离岛或偏乡地区常见的作法.
第四类: 在风力发电, 大型太阳能电厂附近, 设立大型储能系统, 可稳定这些变动型电源的电力. 这作法有如大型的不断电系统, 可使容易受到天候影响的电力稳定化. 这在欧洲, 美国有较多的案例, 也逐渐朝商业化发展.
第五类: 由于再生能源电力产出有时段性, 因此电网电力负荷可藉由火力发电厂进行微调, 然而在短时间内调整幅度过大使火力电厂无法快速反应时, 可以搭配储能系统进行区域性电力调节. 日本已有数个示范案进行此应用验证.
以现今定置型储电系统应用场域来观察(图1), 最主要的应用集中于住宅型储能与电网调节用; 前者在住家运用再生能源的渗透率持续增长下呈现稳定成长, 后者则因电力公司急于维持电网质量, 而以基础建设工程方式进行, 因此虽然需求成长快速 , 但需要各国, 各地区之政策支持才有持续性的市场.
图1 全球物联网半导体市场销售规模及成长率
各国电网需求不同 政府辅导储电因地制宜
随着电力系统的复杂化的扩大, 电网之运作也由较有层次过去的发, 输, 配, 用电的集中型电源模式, 逐渐朝向更为分散, 变动性高且需智能调控的电源型态发展. 储电设备产品在此转变中, 更是占有重要的地位.
然而, 各国在电力系统之建立时期, 整备状况, 乃至于再生能源渗透情况皆有不同, 对于储电设备之需求也有所差异. 对此, 各国虽有运用储电设备的认知, 但政策辅导方向也因地制宜(表2).
以日本为例, 政府对于运用储电系统之「虚拟电厂」进行示范案之补助, 并吸引许多异业结盟项目争取该经费, 用以建构创, 蓄, 节能之最适组合(表3). 虚拟电厂的概念, 在于一定区域内(如小区)广泛设置再生能源及储电设施, 再利用传感器, 运算系统之搭配, 除了在区域内达到最有效的电力运用外, 也可适度成为一个可与外界电网进行电力交易的虚拟电力设备. 日本政府预期在未来五年建立50MW以上之虚拟电厂.
图2 日本关西电力公司发展虚拟电厂之概念
车厂带头整合太阳能/电动车/储电
因应各国政府的新作为, 近年许多不同领域的业者陆续切入定置型储电市场, 车厂更是其中之代表.
2015年四月, Tesla推出家用储电系统PowerWall- 虽可搭配自家电动车使用外, 但与家庭之电力调节以控制电费账单为更具吸引力之功用. Tesla除了运用其电动车市场之优势外, 其亮丽的外表及太阳能系统之结合, 也引领了其他车厂, 储能系统业者在该产品开发上的新风潮.
在Tesla之后, 德国Daimler集团也配合当地储电系统之补助, 推出Mercedes-Benz家用储电设备 ; 2016年日厂Nissan结合电力解决方案公司Eaton公开其运用LEAF电动车汰役电池之储电产品xStorage; BMW更是运用BMWi电动车的电池模块, 运用于电网级储电设备. 这些车厂因电动车业务而或多或少投入二次电池之生产开发, 除了有带动电池产能外, 也搭上当地政府对再生能源结合的政策需求, 进而展现出家庭整合式能源系统之能量.
以BMW为例, 该集团与瑞典电力公司Vattenfall签订锂电池系统供货合约. 该系统搭载BMW电动车i3通用之电池管理系统, 电池模块则自BMW之Dingolfing工厂采购, 用于Vattenfall之在荷兰及英国建置之风力发电厂(图3). 该作法可说是BMW在看准各界对储电设备的需求, 布局未来汰役电池的回收经营模式, 以抢占未来的潜力市场.
图3 建于荷兰Pricess Alexia风场运用BMW-i3电池之储电系统
而因应Tesla以电动车, 储电及SolarCity的太阳光电系统, 于美国逐步开发微电网之解决方案, 也吸引了另一家太阳光电系统商Vivint Solar的跟进. SolarCity为Tesla旗下的屋顶太阳光电开发商, 其市占全美第一, 但在其商业模式因不断有新进业者的加入而被侵蚀利润, 使得该公司需与Tesla共同发展创-蓄链接的能源系统, 与新进业者产品进行差异化; Vivint Solar为美国仅次于SolarCity的屋顶太阳光电开发商, 于2017年也与德国Mercedes Benz Energy在储电系统的供应设置上进行合作, 加上Mercedes Benz在电动车领域扩大发展的策略下, 也与Tesla-SolarCity形成较劲态势. 由此见得, 美国对于能源使用型态快速转变下, 也使得厂商布局更为多角化与整合化(表3).
合适经营模式才可有效扩大市场
现今储电产品价格仍然偏高, 因此会使上述的先进运用造价更为昂贵, 若没有适当的销售方法, 短期内难以推广此类产品.
以日本储能企业One Energy为例, 该公司以租赁企业ORIX为母体, 结合NEC之储电系统产品以十年租赁方式推广, 使用十年后再回收. 此作法可使消费者因经济负担下降而接受度提高, 该公司产品因此迅速抢占市场, 成为日本最大储能系统品牌之一.
而One Energy进一步结合大数据技术, 可将客户的用电习惯记录分析, 未来可利用这些资源组成小区型自给自足的电力供应系统, 进一步提高储电系统之价值(图4).
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因此, 储电系统之需求虽因再生能源之快速扩大而露出商业化曙光, 仍需要其他资源之整合(如电动车)与适当经营模式, 搭配当地的电力政策, 才能有进一步的成长空间. 开发因地制宜的解决方案, 将是相关业者的重要课题.
储电设备发展挑战仍多
储电设备于电力系统中之运用相当多元, 无论在搭配再生能源或节能永续生活的目的下, 在家庭, 建筑, 小区, 甚至是工业区, 都有运用的机会.
在政策强力支持下, 再生能源扩大速度过快, 使得电网安全面临到相当大的挑战, 因此运用中小型储电系统调节电力系统之稳定度为目前最大的需求. 此外, 日本与美国近期发展需量反应及虚拟电厂概念之小区型能源系统, 储电系统成为其中调度工具, 也使得储电系统可切入的市场更为多元心.
但储电设备仍有以下的挑战. 第一, 价格仍然偏高: 目前太阳光电为首的再生能源设备价格已大幅下滑, 未来将扩大储电之需求, 但也相对突显其高昂价格. 如何在技术上, 实际运用上寻求较经济的解决方案, 将是储电系统本身之重要课题.
第二, 电网或再生能源政策抵触: 由于先前再生能源补助以固定费率趸购政策居多, 储电若在其政策基础上导入, 则会有重复补贴等防弊措施产生, 甚至会耗费更多的政策成本. 目前在节省电费的用途上较无政策抵触问题, 但结合再生能源之使用, 需在法规面寻求解套的方法.
第三, 须配合国情以开发合适商业模式及通路: 各国电力环境及市场不尽相同, 跨国发展再生能源已是个很大的挑战, 储电的运用将是更为复杂的议题, 须了解各地居民用电及消费习惯, 与电力市场运作机制, 创造适合当地的商业模式, 更是储能设备扩散的一大议题.
储电产业在近几年各国政府及厂商的摸索下, 产业的运作规则正逐渐成形中, 然也会面临上述挑战, 若能克服并抓紧机会迅速扩大, 才能使储电商机浮现的潮流中取得产业的一席之地.