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技術探索

儲電分散與虛擬化,掌握電力運用新商機

工研院資通所 凌守弘、梁世豪、黃郁雯

分散式能源和智能電網是未來智慧城市趨勢,儲電雲端化可借鏡ICT雲端化經驗。

分散式能源和智能電網是未來智慧城市趨勢,儲電雲端化可借鏡ICT雲端化經驗。

時間會帶來重大的改變,以”nice”這個字義為例,在十六世紀前是”ignorant (無知)”的意思,在十七世紀後逐漸演變成”pleasant (佳)”。 以後當收到”nice work”評語時,可以探究一下真義。而攸關你我生活的電力結構,也正醞釀著重大的改變,尤其是“智慧城市”的模式轉變,分散式能源和智能電網是未來智慧城市的顯著趨勢,而電能儲存則將是分散式能源和智能電網的重要一環。以下引述兩個實際案例說明未來電網發展的重大改變以及儲電的重要性:

案例1:

美國德州電力發展多元且快速,太陽能、風力發電已相當普遍。在電力市場競爭激烈下,民營電力公司「TXU Energy」針對豐沛的風力發電,推出晚上九點到清晨六點用電免費的優惠方案。是的,免費! 可為用戶省錢,同時也能降低電力公司因夜間發電量過多而產生的成本[1]。

案例2:

南澳洲2016年9月遭遇大斷電,造成3萬戶居民無電可用,急需電源與電網穩定設施。特斯拉(Tesla)隨後聲稱,其Powerpack供電系統可穩住南澳洲的電網,並為超過3萬戶家庭提供緊急電力。執行長馬斯克還打賭說,假如這座全球最大鋰電池廠無法在百日內完工運作,將免費奉送[2]。

2017年11月,特斯拉果然在100天內為南澳洲製造100MW全世界最大的電池儲能系統,用於儲存風力發電,解決南澳多年來夏季尖峰供電不足的問題。並於上線後數周,於維多利亞省的燃煤發電廠無預警跳電後,只花短短140毫秒,就向國家電網輸送100MW的電力,遠快於目前電網反應時間的5~15分鐘,速度刷新史上之高[2]。

上述案例顯示出太陽光電、風力發電促成全球電能朝著分散化、複雜化的方向發展,也使得傳統電力環境面臨不穩定的挑戰。前述變革讓人聨想到ICT領域近年雲端化的趨勢與機會。ICT雲端化有兩種特性,”虛擬化”與各種類型之”XaaS (X as a Service)”服務即產品。虛擬化善用分散且異質之硬體配合軟體定義技術(software-defined),造就了各種多樣性與彈性化XaaS服務的興起,並為投資方與使用方帶來更好的性價比。因此,雖然雲端化需要大量的資金以及使用者觀念與習性的調整,其進展仍十分迅速。目前普遍認為電能儲存的最大成本考量為初始成本和總體擁有成本(TCO, total cost of ownership),而近期發展出的新儲電技術,如工研院資通所研發的軟體定義可重組電池系統「RAIBA (Reconfigurable Array of Inexpensive Batteries Architecture )」技術,其數據顯示可提高電池循環壽命達50%,並降低初始設置成本30%以上,此獨特技術在這即將引爆的電力結構重大改變浪潮,已預先佔有一席之位。

儲電設備在電力系統中的角色,就像松露於義大利麵

松露有一種特殊的香氣,因為價格高且氣味濃烈,一般只用一點點,磨碎後撒在義大利麵或煎蛋上,如運用得當,可將平凡餐點轉化為特色美食。儲電設備相對於電力系統也有同樣效果,由於電力無法儲存,而再生能源產生的電力又有相當大的變動性,運用儲電設備進行適當的電力調度,是近年電力公司常用的手法。目前除了利用水庫等大型水利抽蓄設施儲能外,化學能型態的電池式儲電亦為目前市場的成長重點。

相較於松露只有黑、白松露兩種,儲電設備則複雜許多,在美國能源部的定義中高達二十幾種(如:Electric Bill Management 、Onsite Renewable Generation Shifting ..等)[3],可見得該技術及產品一直受到能源或電力界之重視,甚至對於美國等早期導入電網的先進國家而言,儲電更是電網現代化的重要手段,常見的儲電應用與市場規模如下圖1所示。

圖1  全球定置型儲電系統市場規模之發展(資料來源:工研院IEK(2017/10))

圖1 全球定置型儲電系統市場規模之發展(資料來源:工研院IEK(2017/10))

非傳統電網業者陸續切入定置型儲電市場,車廠更是其中之代表

隨著電力系統複雜化的擴大,電網之運作也由傳統較有層次的發、輸、配、用電的集中型電源模式,逐漸向智能電網演進,朝更為分散、變動性高且需智慧調控的電源型態發展。儲電設備產品在此轉變中,更是占有重要的地位。

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[3]。
2015年4月,電動車廠TESLA推出家用儲電系統PowerWall-除可搭配自家電動車使用外,結合家庭電力調節以控制電費帳單為其更具吸引力之處。TESLA除了運用其電動車市場之優勢外,結合亮麗的外表以及太陽能系統,也引領其他車廠與儲能系統業者在該產品開發上的新風潮[3]。

繼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電動車退役電池之儲電產品xStorage;BMW更運用BMWi電動車的電池模組於電網級儲電設備。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,除了帶動電池產能之外,也搭上當地政府對再生能源的政策需求,展現出家庭整合式能源系統之新能量[3]。

再以BMW為例,其與瑞典電力公司Vattenfall簽訂鋰電池系統供貨合約。此系統搭載BMW電動車i3通用之電池管理系統,用於Vattenfall在荷蘭及英國建置之風力發電廠。此外,BMW亦與車充網EVgo合作,位於加州的EVgo充電站利用退役的BMW i3電池組,幫助再生能源使用及平衡高峰時段之充電負載,並降低充電成本。前述作法可說是BMW看準各界對儲電設備的需求,並佈局退役電池的回收經營模式,以搶占未來的潛力市場[3]。

圖2  退役的BMW-i3電池用於美國加州EVgo充電站(資料來源:Charged EVS(2018/07))

圖2 退役的BMW-i3電池用於美國加州EVgo充電站(資料來源:Charged EVS(2018/07))

化垃圾為黃金的經營模式,可「錢」半功倍地擴大市場

現今儲電產品價格仍然偏高,若無適當的技術或商業模式創新,短期內很難將此產品迅速擴散。近期美國商業周刊文章寫道 “Where 3 Million Electric Vehicle Batteries Will Go When They Retire”,報導關於成本和環境效益的機會,汽車鋰電池及巴士電池從報廢車上拆解後可再放電7-10年,此電池生命週期對於全球汽車、電力及材料供應商產生重大且複雜的影響。根據彭博能源財經(BNEF)估計,全球電動車電池庫存量到2025年將達到340萬個,如何再利用退役電動車電池正變得日趨急迫,且潛在的商機可期[4]。

BNEF的每10年預測令人震驚,其指出到2030年電動車電池的需求將暴增25倍;到2040年,全球銷售的逾半新車和全球三分之一的汽車將是電動汽車,相當於5.59億輛;而2050年時全球企業將投資約5,500億美元在家庭、產業和電網用電池儲存設備[4]。

美國商業周刊還提到,”循環儲能”容量在2025年將超過18GWh如下圖3,善用此”循環儲能”電池將同時具有經濟與環保價值。

圖3  循環儲能產能預測(資料來源:Circular Energy Storage)

圖3 循環儲能產能預測(資料來源:Circular Energy Storage)

註:其他來源包括電動自行車、電動踏板車、工業自動化、UPS/資料中心、電信

但實現“化垃圾為黃金”面臨一個主要技術挑戰,即目前電池系統皆須要使用高均勻度的電池,而退役電動車電池本質上是不均勻的,工研院資通所最近研發中的RAIBA電池系統技術則提供了一個很好的解決方案。

RAIBA技術之軟硬體架構及實際運作效益

可重組平價電池陣列RAIBA(Reconfigurable Array of Inexpensive Batteries Architecture)儲電系統,將不同特質的電池(模組)配置在一起工作,克服傳統的經驗法則,即克服對電池系統要求相當高的電池均勻性。

圖4  RAIBA技術軟體及硬體架構

圖4 RAIBA技術軟體及硬體架構

目前RAIBA TRL6原型展現了令人興奮的測試結果:以25個容量分佈在1.5~4.0Ah之RAIBA電池模組為例,圖5顯示運用相同電池模組以及相同負載需求的條件下, RAIBA技術可大幅提升電池系統效能:

  1. 大幅延長運作時間:RAIBA系統運作了7.62小時,相較於傳統的4.24小時增加了79%使用時間。
  2. 大幅改進容量使用效率:傳統電池組面對不均勻的電池模組,容量使用率會受限於最小容量的電池,總容量只使用了52.4%;RAIBA技術將容量使用效率大幅改改進至97.9%。

圖5  RAIBA技術實驗效益

圖5 RAIBA技術實驗效益

儲電雲端化重新定義電力服務,挑戰雖然多,ICT雲端化之經驗可為借鏡

愛因斯坦曾說:We can't solve problems by using the same kind of thinking we used when we created them. (我們不能用造成問題的思維來解決問題。)

現今儲電設備價格昂貴,靠政策補助未必是好的方法,應嘗試創新的思維。儲電系統可結合目前火紅的機器學習與人工智慧以增進異質退役電池的智能化,藉由創新技術(例如:RAIBA)以具有經濟效益之方式發揮退役電動車電池組的價值,實現超低初始成本與環保效益之儲電系統,並增加其穩定性與安全性,前述方式就如ICT產業雲端化中各種虛擬化系統與XaaS (X as a Service) 服務之歷程。

儲電應用之挑戰主要在初始建置價格,但藉由新技術並借鏡ICT雲端化經驗,輔以循環經濟模式降低價格,加上太陽光電為首的再生能源設備價格已大幅下滑,將是儲電系統未來發展的機會。在儲電與環保永續商機浮現的浪潮中,提供了創新的儲電服務模式以及創新電能服務公司,並造就了乘浪而行的新產業機會。

參考文獻

[1] TXU Energy Free Nights & Solar Days Brings Together Two Great Things in One Great Plan. 2015.05.04
[2] 20180129資訊科技與創新管理+附檔-從電業法修正看綠能業者發展契機.pdf
[3] 實現電網智慧調控 儲電系統商業化腳步加快,王孟傑,新電子雜誌,2017.12.24,http://www.mem.com.tw/arti.php?sn=1712040019
[4] Where 3 Million Electric Vehicle Batteries Will Go When They Retire,Businessweek,2018.06.28,https://www.bloomberg.com/news/features/2018-06-27/where-3-million-electric-vehicle-batteries-will-go-when-they-retire