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以AI彰顯儲能價值 提供台灣能源轉型穩定力量
提升電網可靠度

【作者: 王岫晨】   2024年05月29日 星期三

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台灣儲能需求主要源於能源轉型趨勢,以及對於電力穩定的考量。


目前,電化學儲能系統,特別是鋰電池,是台灣最常見的儲能系統。


家用儲能也可提升用戶綠能比例,並且增進電力系統的穩定度和可靠度。



台灣的儲能系統發展近年來已有顯著的進步。根據資料顯示,台灣的儲能產業商機上看2,800億元,並且在2023年已經安裝有150 MW的電池儲能系統(BESS),透過儲能系統快速調度電力,可阻擋600 MW等級的跳電事故,也說明了BESS發揮輔助電網、穩定電力的關鍵效果。


儲能系統的應用領域非常廣泛。主要功能性在於可提供快速調節電能,並進行能量轉移或儲存再生能源輸出之電能,提供給台電進行調度、用戶端負載與再生能源發電設施間之實、虛功率調節,並降低電網於尖峰用電時期之供電量。


台灣儲能技術

儲能技術依據能源的利用方式分類,主要有機械、電化學、化學、電氣、熱或混合系統類型。再根據其形成和組成材料,將系統分為各種類型。台灣在儲能系統方面的需求主要源於能源轉型的趨勢,以及對於電力供應穩定性的考量。以下是台灣在儲能系統方面的需求和應用的一些重要觀點:


目前,電化學儲能系統,特別是鋰電池,是台灣最常見的儲能系統。這類系統的反應時間快,能有效地平衡電網的供需差異,並且可以在再生能源(如太陽能和風能)產生大量電力時儲存電能,並在需要時釋放。


面對未來對於電力的需求,現階段台灣已經開始建設大型的儲能系統,這些系統主要用於穩定電網,防止大規模停電等事故。例如,2023年時,台灣已經安裝有150 MW的電池儲能系統(BESS),這些系統在電力輸出能力瞬間下降640 MW的情況下,可以透過快速調度電力,阻擋600 MW等級的跳電事故。


另外,隨著電動車市場的發展,家用充電和儲能的需求也在增加。家用儲能系統可以提升用戶綠能自發自用的比例,並且在大電網供電品質不佳的區域,可以大大增進電力系統的穩定度和可靠度。


隨著能源供應走向多元化、區域化的趨勢,傳統中央電網逐步轉變為區域微電網和智慧微電網。在這種情況下,儲能系統可以作為微電網的一部分,提供穩定的電力供應。


電池儲能系統三大設計挑戰

接著來看一下在儲能市場中不可或缺的再生能源儲能系統。德州儀器的技術文獻指出,太陽能與風電將再生能源引進電網,但供應面和需求面上的不平衡狀態,卻對充分利用這類能源造成重大限制。雖然太陽能在中午相當充足,但此時的需求卻不夠高,因此消費者需對每瓦特電量支付較多費用。


適用於公共事業規模、住家以及商業與工業情境的儲能系統(ESS)應用,在白天可從如太陽能與風等再生來源取得能源,並在需求或電網電價偏高時輸送所儲存的這類能源。ESS 可儲存能源以供在尖峰時段使用,因此可穩定電網並降低能源費用。


德州儀器也指出,電池儲能系統(BESS)是最受歡迎的 ESS 類型之一,而與該系統相關的設計挑戰包括安全使用;準確監控電池電壓、溫度與電流;以及在電池芯與電池組之間具備強大的平衡功能。


【挑戰 1】安全

第一項挑戰,是在 BESS 一般超過 10 年的完整使用壽命期間,維持電池安全。BESS 應用通常使用鋰離子電池,具體來說是磷酸鐵鋰電池。若電壓、溫度和電流超過鋰離子電池的最大限制,則其容易冒煙、著火或爆炸,因此監控電池的電壓、溫度和電流資料以及保護措施格外重要。電池管理系統會收集上述所有電池資訊,並在任何參數超過指定範圍時,保護電池免於進行充電與放電。因此,您應考量並分析電池故障與電池管理系統故障的可能性。


【挑戰 2】準確的電池監控

準確的電池資料可確保安全並達到最高的能量。有鑑於磷酸鐵鋰的充電與放電曲線具有廣泛的平坦區域,因此即使是微小的電池芯電壓量測錯誤,也可能導致發生重大的剩餘容量錯誤,所以為了準確估計充電狀態,準確的電池電壓與電池組電流量測至關重要。準確的充電狀態資訊是避免電池芯平衡發生錯誤的關鍵,過度充電和過度放電都可能對最高的可用電池能量造成損害。


另一個重要的量測為溫度。大部分電池著火與爆炸意外的肇因都是電池熱失控。為了進行 ESS 充電狀態監控,準確且可靠的電流量測解決方案也是不可或缺的要素。


【挑戰 3】電池芯與電池組的平衡功能

由於負載變化,電池組消耗電流的速率可能各有不同。前述變化會導致電池組剩餘能量間出現不平衡,並降低 ESS 整體的最高可用能量。新電池芯間的不一致性,以及不同的熱冷卻條件,也可能在不同電池芯間造成不平衡,即使其位於同一電池組中也不例外。被動平衡拓撲結構會透過電阻器消耗電池能量,因此不建議用於進行電池組層級的平衡,因為其會產生過多功耗並造成電池組溫度升高。


電池組不平衡的情況會隨著產品使用壽命經過而惡化,且如同先前所述,ESS 的壽命可長達 10 年以上。在 10 年期間,部分電池組老化的速度可能比其它電池組快,迫使使用者須更換老化的電池組。若缺乏強大的電池組層級平衡電路,那麼人員必須對新電池組進行充電或放電的量,幾乎等同於 ESS 其餘電池組的能量。但即使如此,這麼做的風險極高,因為這是困難、成本高昂且消耗人力的作業。


電池芯不平衡也會受到電池芯容量影響。電池製造商正在開發容量更大的電池芯,從280 Ah 至314 Ah,甚至到560 Ah 等,以將 ESS 整體的美元/每千瓦時能源成本最佳化。具有較大容量電池芯的電池組,需要較大的有效平衡電流,讓電池組內的電池芯可持續提供相同能量。


德州儀器認為,安全且可靠的電池管理系統可降低對鋰離子和磷酸鐵鋰電池安全的疑慮,並且可透過良好設計的保護措施,協助延長 ESS 使用壽命,即使在單一裝置發生故障的情況下也不例外。準確的資料感測以及電池組和電池芯層級平衡功能,有助於以同等的容量進行充電與放電,並充分利用太陽能與其它再生能源的能源,最終將可讓終端使用者獲得安全、穩定且低成本的再生能源。



圖一 : 德州儀器指出電池儲能系統的三大設計挑戰
圖一 : 德州儀器指出電池儲能系統的三大設計挑戰

Fluence攜手東元打造龍潭儲能系統

Fluence攜手東元電機打造桃園龍潭超高壓變電所60 MW(萬瓩)/80 MWh(萬瓩時)儲能系統,目前已經完成建置並正式啟用。桃園龍潭儲能系統為目前台電於全台自建規模最大的儲能案場,案場建置完成後的總儲電等同於近8,000戶家庭的日平均用電量,占台電自建儲能容量37.5%,為台灣淨零轉型的一大里程碑。


Fluence亞太地區總裁Jan Teichmann表示,Fluence擁有超過15年國際大規模儲能案場建置經驗,憑藉Fluence團隊的經驗與技術,並結合東元集團在大型儲能系統建置領域的專業實力,共同以高效、高品質的技術和服務交付此項極具指標性的儲能案場,更體現了我們對台灣能源轉型的長期承諾和高度重視。


台電桃園龍潭案場屬於政府重要等級建設,未來,在離岸風電大量導入台電系統後,儲能系統將在電網穩定性扮演關鍵角色。



圖二 : Fluence攜手東元電機打造桃園龍潭儲能系統(圖片:台電提供)
圖二 : Fluence攜手東元電機打造桃園龍潭儲能系統(圖片:台電提供)

聯齊科技推表後儲能 提升光儲能效

聯齊科技透過「需量預測型AI演算法」,以人工智慧提升表後儲能調控效益,幫助企業拉抬綠電占比與再生能源使用率。根據實際光儲案場估算,工商業用電戶導入後,年度電費效益提高17%,綠電占比也有感提升。


因應產業的能源減排重心,已從低能耗設備,邁向再生能源最大化階段,聯齊科技首推表後儲能解決方案,協助能源案場催高綠電占比,佈局最適化的電力調度。聯齊科技表示,儲能把綠電留在電力調度的資源裡,讓AI和系統扮演大腦,無論是追求電費最適化、降低超約罰金,還是綠電占比最大化,都能透過即時且精準的判斷下達指令,將全場域資源做最有效率的安排。


聯齊科技同步發表需量預測型AI演算法,整合太陽能預測與負載預測技術,以AI提升能源數據的判斷精準度,有助提升調度效益。以實際案場條件推算,需量預測型AI演算法對比市面現行的排程調控模式,幫助用電戶有感提升節費效益,並隨著餘電顯著下降,再生能源使用率提升近2%,也降低了市電的使用度數。聯齊科技表示,效益靠數據驅動,而精準且即時的能源數據,則讓表後儲能成為有效益的投資。


為了協助更多產業加入減排行動,聯齊科技也推出多據點能源管理解決方案,讓物流、零售服務業,也能啟動淨零佈局,並且友善集團化經營的組織架構,讓總部、門市,都能因應職務需求自選系統管理的監測介面。



圖三 : 聯齊科技推表後儲能。圖為聯齊科技執行長顏哲淵。
圖三 : 聯齊科技推表後儲能。圖為聯齊科技執行長顏哲淵。

Fluence正式成立台灣富安能源

為持續深耕台灣儲能市場,Fluence在台正式成立子公司──台灣富安能源有限公司(富安能源)。根據台灣經濟部能源署最新統計,截至2023年底,台灣的再生能源裝置容量累計達17,916 MW(萬瓩),近年,再生能源裝置的數量與容量均呈現雙位數成長。而隨著再生能源採用比例增加,產業對儲能應用需求也同步成長,尤其,在能源轉型的過程中,儲能對於電網穩定運作至關重要。Fluence自2021年起深入拓展台灣市場,顯著增加在地服務量能,截至目前,Fluence在台灣已累積超過10個儲能案場建置經驗,已併網投入電網服務的容量高達170 MW。


台灣富安能源有限公司總經理鄒宏楷表示,富安能源將憑藉在輸電系統營運商領域中累積的豐富經驗,解決台灣的電網壅塞等區域性挑戰。還能進一步結合Fluence的AI數位軟體工具,協助再生能源資產擁有者極大化其收益,有效加速台灣的再生能源產業發展。展望未來,透過確保電網穩定性,儲能將在實現能源轉型發揮重要作用。攜手在地合作夥伴持續深耕台灣、推動儲能領域發展,致力於將儲能技術與案場經驗接軌台灣,提升台灣電網的安全性和穩定性,助台灣加速實踐能源轉型,打造永續未來。



圖四 : 台灣富安能源總經理鄒宏楷
圖四 : 台灣富安能源總經理鄒宏楷

工研院催生在地化釩液流電池儲能供應鏈

臺灣能源要轉型,隨著再生能源占比逐漸提高以及經濟發展需求,儲能系統便成重要關鍵,除了傳統的抽蓄水力及鋰電池儲能外,近來擁有高達數十年的使用壽命、安全性極高的釩液流電池也成為儲能新選擇。工研院與虹京金屬、新中能源科技、神盾能源等三家廠商共同合作,將同時整合台灣儲能關鍵零組件、系統整合及能源監控業者,打造在地化釩液流電池儲能供應鏈。


工研院綠能與環境研究所副所長萬皓鵬表示,再生能源極大化是能源轉型的重中之重,儲能系統導入可以協助再生能源克服靠天吃飯的間歇特性,工研院在經濟部能源署的支持下,一直扮演儲能產業的推動角色。台灣目前儲能系統多採用傳統鋰電池,雖然擁有儲存能量密度及轉換效率高等優點,但安全性還是被高度關心的議題。


釩液流電池利用電解液內的釩離子進行重複充電或放電,充放過程並不會造成釩離子損耗,因此擁有易回收及保有長壽命之優點。同時採用水系電解質,即使大型擴建,安全性仍很高,適合在地狹人稠的區域。


此次將透過工研院液流電池關鍵組件及系統整合等技術經驗,協助台灣廠商建立自主技術能量,期盼促成台灣釩液流電池供應鏈成形,加速推動儲能產業發展。



圖五 : 工研院催生在地化釩液流電池儲能供應鏈
圖五 : 工研院催生在地化釩液流電池儲能供應鏈

AI彰顯儲能價值

人工智慧(AI)在儲能領域的應用也已經開始顯現其價值。由於儲能系統的資訊龐雜且數據量龐大,AI可以協助儲能系統進行智慧化運維,提升系統效益。例如,AI可以根據天氣預報和歷史能源使用情況,決定何時將多餘的電力儲存到儲能系統。當電力需求增加時,系統便可將儲存的電力,釋出到智慧電網中。


而可再生能源受日照與風力等氣候因素影響甚大,利用AI技術可以從巨量的歷史數據幫助監測和預測天氣,協助電廠選址、設計,且在電廠運行時,透過快速的回饋來調整太陽能和風力發電廠的發電參數,提高整體電廠的發電效率。


透過AI也可以將新、舊電池模組整合在一套儲電系統,透過人工智慧控制電池模組的放電負載,提供剛好的電壓,因此,在同樣電池條件下,AI系統可提高鋰電池的使用壽命,比目前傳統電池模組高出84%的使用時間,還能降低將近96%的能源耗損。


結語

台灣在儲能技術的發展上,將面臨以下幾個主要的挑戰。首先是民眾的安全疑慮,由於儲能系統涉及到電力儲存,因此民眾對於其安全性有所疑慮,這可能使得儲能系統成為鄰避設施。建置成本高且電價差小也是個問題,由於儲能系統的建置成本相對較高,而且由於台灣的電價差異較小,因此用戶端的投入誘因較少。此外,對於大型儲能系統的建置經驗,以及儲能技術發展所需要的技術整合人才,都是台灣目前邁向儲能市場的主要挑戰。


展望未來,隨著台灣再生能源的發展,儲能系統的需求將持續增長。預估到2030年,台灣電化學儲能市場的累積規模將達到7~8GW,總容量約20GWh,累計市場規模將達到2000億台幣。儲能技術的發展不僅可以提升電力系統的穩定性,也將帶動相關產業的發展,創造出更多的商機。儲能技術也將與再生能源進行整合運用,以解決再生能源的間歇性問題。而為了達成淨零碳排的目標,長時間儲能技術的發展也將成為重要的趨勢。


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