儲能技術:高溫儲熱技術幫助工業去碳

2022/02/25閱讀時間約 4 分鐘
儲能不只電池,儲熱系統更適合重工業去碳
位於美國加州的新創公司Antora Energy,最近獲得兩大低碳技術創投機構的投資:比爾蓋茲創立的突破能源風險投資基金Breakthrough Energy Ventures和Lowercarbon Capital,金額達5000萬美元(約14億台幣)。Antora Energy的熱儲能系統可儲存多餘的再生能源電力,來取代重工業使用的燃煤或燃氣鍋爐。
Antora Energy成立於2018年,其熱儲能系統可將再生能源電力轉成熱能,利用溫度差(顯熱)將熱能儲存在固態的碳材料(solid carbon blocks)中,外層有絕熱材料減少熱能流失。其溫度最高可達1500度C。此技術的優點為:使用壽命長(超過30年)、安全性高(材料無危害、無化學反應)、並無材料能力退化的問題。更重要的是材料容易取得且成本低,單位儲能的成本($/kWh)只有鋰電池的50分之一
用溫度差來儲熱的缺點是,儲存的溫度越高,需要更好的絕熱來減少熱流失。就算絕熱再好,也很難像燃料(如:氫氣)在數週或數個月的儲存後,幾乎零損失。
圖片來源:Antora Energy

熱儲能技術可加速重工業減碳

熱儲能可讓降低能源成本,增加能源利用率
重工業及高耗能產業(例如:鋼鐵、化工、水泥)的室氣體排,佔全球總排放的10%以上。傳統大多的高溫製程都是使用燃煤或是燃氣鍋爐來加熱,如要減少排放,一般有三個方式:電力化、氫能、碳捕捉。
電力化:使用再生能源電力供給電鍋爐產生熱。缺點是風力及太陽能發電量有間歇性,無法穩定供應。
氫能:使用再生能源製造的綠氫為燃料。氫氣可大量儲存無供應間歇性的問題。然而在生產和加壓的過程中,有一定比例的能源消耗(約25-40%),因此能源使用及成本比使用電力高。
碳捕捉:可將化石燃料燒後產生的二氧化碳捕捉下來。然而,一般捕捉率最高到90-95%,且捉下來的碳要送到地下永久儲存,才能達到真正的減排。
儲熱技術和電加熱系統結合,可克服再生能源發電間歇性的問題。儲熱系統的成本低,更可以儲存大量過多的再生能源。一般鋰電池只能儲存1-4小時的電能(如同一個水桶,只能持續供水1-4個小時),儲熱技術的單位儲能成本低,可以儲存一天到數天的能量。
另外,電力價格會隨著時間變化。下圖為美國加州2022年2月中,七天的批發電價。在白天和傍晚的價格最高(用電需求大,且太陽能發電量小),約每千度50-70美元,在凌晨(用電需求小)時降到每千度10-25美元,價格差了2-5倍。因此,使用熱儲能避免在電價高時的用電,進而降低能源的成本。
資料來源:CAISO

儲熱能否幫助台灣工業減碳?

台灣有六成的能源消耗用在工業,且工業主要消耗電能為主,其中有一定比例是用在加熱(工業製程...)或是冷卻(空調、製冷...)上。在英國,29%的電能或45%總能量消耗,最後用在加熱或製冷。目前筆者沒找到台灣的相關數據,但電能用在加熱/製冷的比例估計比英國高(台灣空調使用電能,英國供暖主要用天然氣)。
用在加熱或製冷的工業製程,結合儲熱技術後可讓能源使用有彈性,可間接取代成本較高的電池系統,來作電力上的調度。然而,實際執行上除了要克服技術上的問題(製程的改動),還要有適當的市場機制(時間電價差,需量反應補貼...),讓結合熱儲能系統有經濟誘因。
另外,電力系統要有一定比例的間歇性再生能源,才有使用儲能的需求。以2021年台灣風力和太陽能佔比源比約4%,2025年目標佔15%(不含水力和其它再生能源),台灣在幾年內儲能主要會用在電力系統的穩定(輔助服務),而不是儲存過多的再生能源。台灣要有更多的再生能源(20%以上),才會需要長時間的儲能系統。
註:英國2020年風力和太陽能發電佔比為29%,主要調度來源為燃氣發電(30+ GW),再來是電網互聯(6 GW)和抽蓄水力(4 GW),電池儲能約1 GW。
圖片來源:經濟部能源局

小結:

儲能技術有很多種,適用在不同的應用和時間尺度。能源轉型的初期,電池可用在穩定電網。到中、後期則需要儲存時間更長的儲能系統。例如:熱儲能、卡諾電池、儲氫。
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Mr.Bug
Mr.Bug
台灣人,旅歐博士後研究員,涉獵領域有再生能源、儲能技術、及能源系統分析。 致力於能源議題討論和減碳技術推廣。希望在有生之年,能幫助台灣達到淨零排放!
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