在全球節能減碳風潮日益擴散下, 撙節石化能源電力及使用再生能源的意識持續升高, 太陽光電及風力發電的導入與分布式電源的發展也逐步展開中. 這個趨勢促成全球能源朝著分散化, 複雜化的方向發展, 也因為變動性電源的快速成長而使電力環境的穩定面臨挑戰.
為使這日趨複雜的電力系統維持過去穩定的供應, 同時達到電力清潔化的效果, 有效的管理為重要的手段, 而運用儲電系統調控為目前可快速解決問題的手法之一. 由各國陸續提出儲電之相關政策作為, 與廠商持續布局該市場, 可見得各界期望在分散化能源的態勢下, 以聰明的管理方式來解決.
儲電設備扮電力系統重要角色
由於電力無法儲存, 若是再生能源產生的電力又有相當大的變動性, 因此運用儲電設備進行適當的電力調度, 是電力公司近年常用的手法. 目前除了以水庫等大型水力抽蓄設施儲能外, 最常見的還是以化學能型態的電池式儲電處理.
儲電設備運用於電力系統的功能, 在美國能源部的定義中高達二十數種(表1), 可見該技術及產品一直受到能源或電力界相當大的重視, 甚至對於美國等早期導入電網的先進國家而言, 更是電網現代化的重要手段.
常見的儲電應用之功用, 可歸納為以下幾類:
第一類: 可將電力暫時儲存, 在需要時釋放電力, 減少自電力公司的電力需求. 這是目前最被廣為認知的作法, 常用於電網連結之住家及工商業建築與再生能源並用, 除可減少電費賬單外, 也可達到電力需求削峰填穀的效果. 這對於以再生能源躉購費率低於一般電費之地區, 或有明顯時間電價的地區而言, 有相當的市場潛力.
第二類: 運用儲電設備, 組成區域型(如大型建物, 小區, 有限地域等)微電網, 並達到區域內電力互相支援, 調度之功能, 更進一步可發展為虛擬電廠(Virtual Power Plant)之概念.
第三類: 在無電網地區, 可藉由再生能源, 柴油發電及儲能等設備組成小型獨立電網或電力供應系統. 是在離島或偏鄉地區常見的作法.
第四類: 在風力發電, 大型太陽能電廠附近, 設立大型儲能系統, 可穩定這些變動型電源的電力. 這作法有如大型的不斷電系統, 可使容易受到天候影響的電力穩定化. 這在歐洲, 美國有較多的案例, 也逐漸朝商業化發展.
第五類: 由於再生能源電力產出有時段性, 因此電網電力負荷可藉由火力發電廠進行微調, 然而在短時間內調整幅度過大使火力電廠無法快速反應時, 可以搭配儲能系統進行區域性電力調節. 日本已有數個示範案進行此應用驗證.
以現今定置型儲電系統應用場域來觀察(圖1), 最主要的應用集中於住宅型儲能與電網調節用; 前者在住家運用再生能源的滲透率持續增長下呈現穩定成長, 後者則因電力公司急於維持電網質量, 而以基礎建設工程方式進行, 因此雖然需求成長快速 , 但需要各國, 各地區之政策支援才有持續性的市場.
圖1 全球物聯網半導體市場銷售規模及成長率
各國電網需求不同 政府輔導儲電因地制宜
隨著電力系統的複雜化的擴大, 電網之運作也由較有層次過去的發, 輸, 配, 用電的集中型電源模式, 逐漸朝向更為分散, 變動性高且需智能調控的電源型態發展. 儲電設備產品在此轉變中, 更是佔有重要的地位.
然而, 各國在電力系統之建立時期, 整備狀況, 乃至於再生能源滲透情況皆有不同, 對於儲電設備之需求也有所差異. 對此, 各國雖有運用儲電設備的認知, 但政策輔導方向也因地制宜(表2).
以日本為例, 政府對於運用儲電系統之「虛擬電廠」進行示範案之補助, 並吸引許多異業結盟項目爭取該經費, 用以建構創, 蓄, 節能之最適組合(表3). 虛擬電廠的概念, 在於一定區域內(如小區)廣泛設置再生能源及儲電設施, 再利用感測器, 運算系統之搭配, 除了在區域內達到最有效的電力運用外, 也可適度成為一個可與外界電網進行電力交易的虛擬電力設備. 日本政府預期在未來五年建立50MW以上之虛擬電廠.
圖2 日本關西電力公司發展虛擬電廠之概念
車廠帶頭整合太陽能/電動車/儲電
因應各國政府的新作為, 近年許多不同領域的業者陸續切入定置型儲電市場, 車廠更是其中之代表.
2015年四月, Tesla推出家用儲電系統PowerWall- 雖可搭配自家電動車使用外, 但與家庭之電力調節以控制電費賬單為更具吸引力之功用. Tesla除了運用其電動車市場之優勢外, 其亮麗的外表及太陽能系統之結合, 也引領了其他車廠, 儲能系統業者在該產品開發上的新風潮.
在Tesla之後, 德國Daimler集團也配合當地儲電系統之補助, 推出Mercedes-Benz家用儲電設備 ; 2016年日廠Nissan結合電力解決方案公司Eaton公開其運用LEAF電動車汰役電池之儲電產品xStorage; BMW更是運用BMWi電動車的電池模組, 運用於電網級儲電設備. 這些車廠因電動車業務而或多或少投入二次電池之生產開發, 除了有帶動電池產能外, 也搭上當地政府對再生能源結合的政策需求, 進而展現出家庭整合式能源系統之能量.
以BMW為例, 該集團與瑞典電力公司Vattenfall簽訂鋰電池系統供貨合約. 該系統搭載BMW電動車i3通用之電池管理系統, 電池模組則自BMW之Dingolfing工廠採購, 用於Vattenfall之在荷蘭及英國建置之風力發電廠(圖3). 該作法可說是BMW在看準各界對儲電設備的需求, 布局未來汰役電池的回收經營模式, 以搶佔未來的潛力市場.
圖3 建於荷蘭Pricess Alexia風場運用BMW-i3電池之儲電系統
而因應Tesla以電動車, 儲電及SolarCity的太陽光電系統, 於美國逐步開發微電網之解決方案, 也吸引了另一家太陽光電系統商Vivint Solar的跟進. SolarCity為Tesla旗下的屋頂太陽光電開發商, 其市佔全美第一, 但在其商業模式因不斷有新進業者的加入而被侵蝕利潤, 使得該公司需與Tesla共同發展創-蓄連結的能源系統, 與新進業者產品進行差異化; Vivint Solar為美國僅次於SolarCity的屋頂太陽光電開發商, 於2017年也與德國Mercedes Benz Energy在儲電系統的供應設置上進行合作, 加上Mercedes Benz在電動車領域擴大發展的策略下, 也與Tesla-SolarCity形成較勁態勢. 由此見得, 美國對於能源使用型態快速轉變下, 也使得廠商布局更為多角化與整合化(表3).
合適經營模式才可有效擴大市場
現今儲電產品價格仍然偏高, 因此會使上述的先進運用造價更為昂貴, 若沒有適當的銷售方法, 短期內難以推廣此類產品.
以日本儲能企業One Energy為例, 該公司以租賃企業ORIX為母體, 結合NEC之儲電系統產品以十年租賃方式推廣, 使用十年後再回收. 此作法可使消費者因經濟負擔下降而接受度提高, 該公司產品因此迅速搶佔市場, 成為日本最大儲能系統品牌之一.
而One Energy進一步結合大數據技術, 可將客戶的用電習慣記錄分析, 未來可利用這些資源組成小區型自給自足的電力供應系統, 進一步提高儲電系統之價值(圖4).
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因此, 儲電系統之需求雖因再生能源之快速擴大而露出商業化曙光, 仍需要其他資源之整合(如電動車)與適當經營模式, 搭配當地的電力政策, 才能有進一步的成長空間. 開發因地制宜的解決方案, 將是相關業者的重要課題.
儲電設備發展挑戰仍多
儲電設備於電力系統中之運用相當多元, 無論在搭配再生能源或節能永續生活的目的下, 在家庭, 建築, 小區, 甚至是工業區, 都有運用的機會.
在政策強力支援下, 再生能源擴大速度過快, 使得電網安全面臨到相當大的挑戰, 因此運用中小型儲電系統調節電力系統之穩定度為目前最大的需求. 此外, 日本與美國近期發展需量反應及虛擬電廠概念之小區型能源系統, 儲電系統成為其中調度工具, 也使得儲電系統可切入的市場更為多元心.
但儲電設備仍有以下的挑戰. 第一, 價格仍然偏高: 目前太陽光電為首的再生能源設備價格已大幅下滑, 未來將擴大儲電之需求, 但也相對突顯其高昂價格. 如何在技術上, 實際運用上尋求較經濟的解決方案, 將是儲電系統本身之重要課題.
第二, 電網或再生能源政策抵觸: 由於先前再生能源補助以固定費率躉購政策居多, 儲電若在其政策基礎上導入, 則會有重複補貼等防弊措施產生, 甚至會耗費更多的政策成本. 目前在節省電費的用途上較無政策抵觸問題, 但結合再生能源之使用, 需在法規面尋求解套的方法.
第三, 須配合國情以開發合適商業模式及通路: 各國電力環境及市場不盡相同, 跨國發展再生能源已是個很大的挑戰, 儲電的運用將是更為複雜的議題, 須了解各地居民用電及消費習慣, 與電力市場運作機制, 創造適合當地的商業模式, 更是儲能設備擴散的一大議題.
儲電產業在近幾年各國政府及廠商的摸索下, 產業的運作規則正逐漸成形中, 然也會面臨上述挑戰, 若能克服並抓緊機會迅速擴大, 才能使儲電商機浮現的潮流中取得產業的一席之地.