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儲能市場龐大 電池新技術現身

  • 魏淑芳
科學家已成功在實驗室開發氮化鈦鋁電池。來源:ETHZ

以太陽光電及風力發電為主的再生能源,普遍有著供電不穩定及電力不可調度等問題,這就有賴於儲能技術和方案的助力。儲能技術的運作方式,簡單來說是將不易儲存的電能量,轉換為更加便利或經濟的形式進行儲存,並在適當的時機或地點將電能量釋出給負載或併入電網使用。

隨著再生能源發電比例的增加,儲能系統 (Electrical Energy Storage System;EES)的需求自然水漲船高。根據TrendForce預估,至2020年,全球儲能市場產值將可達到350億美元,其中又以電化學儲能貢獻最大。

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史丹佛大學開發新型鈉離子電池。來源:Harvard

儲能技術多樣  鋰電池仍是主流

根據國際標準組織「國際電工委員會(International Electrotechnical Commission;IEC)」的分類,依能量儲存形式的不同,儲能系統可概分為五大類別,包括機械、電化學、化學、電力及熱能儲能等。

在這些儲能技術中,由於電化學儲能不易受地理環境限制,因此現階段儲能系統以此方面技術為主,包括鉛酸電池、鋰電池、液流電池等,其中又以鋰電池具有體積小、能量密度高等優異特性而逐漸成為市場主流。

根據Frost & Sullivan的報告,2018年全球電網規模的電池儲能系統發電量將自2017年的4,029.8MWh成長至6,144.3MWh,幅度達 52.5%;裝置容量亦從2,284.2MW成長至2,724.5MW,成長主因來自鋰電池與液流電池(Flow Battery)。

2017年各類電池的裝置容量佔比依序為鋰61.3%、以鈉為材料(sodium based)25.6%、液流10.2%、鉛酸(Lead Acid)2.9%與以鎳為原料(nickel based)0.1%,2018年前三大類的佔比則為鋰60.7%、液流19.1%與以鈉為材料18.2%。

若就應用區隔來看,再生能源中,目前仍以太陽能發電對於儲能電池需求最大。做為目前全球最普遍的再生能源系統,太陽能應用在初期大多為偏遠地區的離網發電,但隨著智慧電網架構的興起,直接併入電網將成為主流趨勢。

目前在太陽能儲能系統中,併網儲能系統的市場需求逐年成長,也是市佔率最大的應用,隨著電池產能擴增,TrendForce預估2018年市場規模將達到1.9BWh。

改善鋰電池  追求低成本及高密度

鑑於鋰電池在電池儲能市場的主流地位,全球有許多業者持續投入鋰電池儲能技術的發展,希望能以以更低的成本實現更高的能量密度,例如Cadenza Innovation Inc.的鋰離子超大電池(Super-Cell)技術,據悉能較現行鋰電池價格低30%,但能量密度高30%,且透過緊密封裝結構,以及搭配有效的排氣機構與壓力斷開裝置(PDD),可實現具有高安全性且具高體積能量密度的大電池系統。

CAMX Power則是開發電池負極含大量鎳的鋰電池,透過化學或電化學反應改善能量密度與生命週期。CAMX Power宣稱應用負極新材料CAM-7的電池容量將超過200mAh/g,且即使在低於零下20℃的溫度下,充電量仍能達到80%。

鋰礦藏不多  新材料電池求突破

不過,鋰電池雖仍是儲能系統的首選,但由於鋰礦蘊藏量不多,且隨著科技進步,也有越來越多兼具低成本與環保的儲能技術現身,未必不會威脅到鋰電池在儲能領域的龍頭寶座。

例如,工研院與美國史丹福大學共同合作研發的「可高速充放電鋁電池」,搭配再生能源,將成為儲能重要技術。此技術是以地球上蘊藏豐富的石墨和鋁為原料,開發出全球第一個可以穩定充放電的鋁電池,只要一分鐘便可完成充電,且重複充放電逾萬次,仍可維持高蓄電量。

在安全性方面,鋁電池所使用的離子液體在室溫下是液態的鹽類,即使遇到高溫短路或受到外力破壞,也不會爆炸燃燒,這正是鋁電池備受期待的關鍵之一。

此外,瑞士聯邦材料科學技術實驗室(Empa)與蘇黎世聯邦理工學院(ETHZ)已找出氮化鈦(titanium nitride)與聚芘(Polypyrene)這兩種良好替代材料,可望提升鋁電池效率與增加用途廣泛性。

根據《Advanced Materials》報告,前者為導電性高與耐腐蝕性強的合成陶瓷材料,由常見的鈦和氮元素組成,且易於製造;後者則為碳氫化合物,儲存容量可與石墨相競爭,可做為電池正極材料。雙方科學家已成功在實驗室打造氮化鈦鋁電池。

另一研究方向是採用鈉,地球上鈉含量比鋰礦豐富,鈉離子與鋰離子具有相似的運作模式,且未來可望較鋰離子電池更加便宜有效、安全疑慮更低,因此現有不少研究單位投入鈉離子電池開發。

包括法國國家科學研究中心(CNRS)、美國華盛頓州立大學(WSU)和史丹佛大學都在開發鈉基電池。其中,2017年史丹佛大學團隊開發了一種新型鈉離子電池,可以儲存和目前市場上最先進鋰離子電池一樣多的容量,但成本僅不到鋰離子電池的80%,不過,目前該電池仍需要進一步最佳化,才能克服穩定性與能量密度低的挑戰。

儲能成本降低  推動再生能源普及

展望未來,根據德國萊因TÜV發布的2018儲能系統重量級白皮書指出,當儲能電池的建置成本每度電從現在的250美元降到150美元時,儲能市場將蓬勃發展。

德國是目前儲能系統應用最成熟的市場。2014年由德國萊因TÜV與多家德國研究機構和大學共同撰寫的「電池系統安全導則」及2PfG 2511/09.14標準的發布,為2017年德國儲能產業標準VDE-AR-E 2510-50奠定技術基礎,並成為全球首個儲能系統全面的安全評估標準。安全性是儲能系統最重要的評估指標,包括電氣安全、電池安全、功能安全、運輸安全、電磁相容、環保和併網介面保護等。

德國萊因認為隨著補貼政策的完善及成本的下降,2020年有望成為儲能大量商業化的元年。未來儲能電池及系統成本一旦降低,再生能源與傳統石化能源將有機會實現平價競爭。

迎接儲能商機爆發,台灣產官學研界日前成立「台灣儲能系統產業推動聯盟」,參與成員包括工研院、台電綜合研究所、台經院、台大、清大等學研機構,以及台達電、大同、中油、康舒、亞力電機、中興電工、協同能源等20多家廠商。

整體而言,台灣以鋰電子電池產業為主體的儲能系統供應鏈堪稱完整,不過仍需強化部分關鍵電子元件及材料的掌握度,此聯盟的成立目的就是為了整合相關供應鏈,進而提升台灣儲能產業的競爭,全面做好進入全球儲能市場的準備。