儲能技術:如何將風能存在海底?

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隨著化石燃料逐漸被再生能源取代,“儲能技術”將是能源系統能否達 淨零排放的關鍵

上個月(2022年1月)蘇格蘭皇家財產局(Crown Estate Scotland)公布官方競標結果,總共總容量達25 GW的離岸風場,相當於全英國目前風力發電的總安裝容量(24 GW)。然而,風有時強有時弱,當沒有風時該怎麼辨呢?

英國廣播公司(BBC)在月初的報導”How to store excess wind power underwater“(中文:如何將多餘的風能存在水底),介紹了尼德蘭(舊稱荷蘭)新創公司Ocean Grazer的水下儲能技術,未來可以和離岸風電整合來增加供電穩定性。

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海洋電池將能源儲存在水底

Ocean Grazer的Ocean battery(海洋電池)在上個月的Consumer Electronics Show(消費電子展)獲得了最佳創新獎。其運作原理和抽蓄水力類似,主要可分成三個部份:(海床上)可充滿淡水的水囊、可發電或抽水的渦輪、(海床下)可存放水的容器。當有多餘電力時,(海床下)容器中的淡水透過渦輪被抽到海床上的水囊中。在須要用電時,水囊的水流回容器並轉動渦輪發電。預估儲存效率相當於抽蓄水力(70-80%),壽命可超過20年。

此系統有很好的彈性,且容易將規模放大,可安裝在目前離岸風場(水深50公尺內)的海床,整合後能提高供風力發電的穩定性和可調度性。然而,此技術還在發展測試階段,預計2023年初在尼德蘭北部會進行實際運作測試。另外,此系統對(海床)環境和生態也有一定的影響。

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電池只是儲能技術的一種

除了最常聽到的鋰電池(電化學)和前面介紹的海洋電池抽蓄水力(重力位能),儲能技術還有很多種。例如:氫能(化學能)是利用水電解後產生氫氣。熱儲能(熱能)把熱或冷存起來,可用在空調、工業、甚至發電。卡諾電池(熱能/機械能)利用熱力學循環原理,可將電轉成溫差和壓力差,在需要時可用來發電或是供熱/供冷。

以台灣來說,儲冷系統可用離峰電力來製冷(冰塊)並儲存起來,在用電尖峰時(一般是天氣熱時)來取代冷氣用電需求。這樣的系統在成本和效率上,可能會比電池儲還要好。

未來能源系統需要各種不同儲能技術

化石燃料也是一種儲能的形式

能源系統要隨時維持“供應=需求”,而過去能源系統的供需平衡,絕大多都是靠化石燃料的儲存,或是開採量的調整。在緯度高的地區,在冬天會使用大量的能源在供暖上(是夏天的2-3倍以上),因此在冬天前會儲存大量的燃料(煤炭、天然氣...等),來因應冬天供暖的需求。未來要達到淨零排放,這些容易大量儲存的化石燃燃,要被其它的儲能技術給取代。例如:電池、熱/冷儲能、氫能...等。

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儲能在台灣的角色

以台灣目前能源轉型的進度,5-10年內還不會有太多“過剩”的再生能源,因此儲能還是以穩定供電品質,及滿足尖峰用電的角色。當再生能源發電量低時,主要是靠增加燃氣或燃煤發電量來滿足用電。

台灣雖然夏天用電量較冬天高,但季節間的用電差異沒有高緯度的國家大。再加上太陽能發電量和用電有正相關,同一天內(太陽下山後)的電力調度問題,會比冬夏季供應的問題還要重要。除了電池,未來可能要有更多適合供電8-10小時以上的儲能系統(例如:卡諾電池、液態空氣儲能、重力儲能...等),來作數天至一週內能源的調度。

氫能可以大量儲存再生能源電力(又稱為綠氫)且能有多種不同應用,但缺點是能量轉換的損失大。要有大量的“過剩”再生能源,才會有更多的綠氫。

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結語

根據不同地區的用電需求、地理條件和再生能源發電特性,適合的儲能技術也不同。
未來會有各種不同的儲存系統,來取代化石燃燃 維持能源系統的運作。

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