儲能裝置新進展

• 物理專文
• 撰文者：薛康琳、黃明輝
• 發文日期：2016-06-06
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綠色能源或再生能源是全球未來能源的發展趨勢，其中兩種主要方式風力發電與太陽光電受天候環境的影響，發電量變化很大。未來這類能源併網量增加到現有電網電量的5-10%就會造成電網的不穩定；例如德國在福島事件後停止核電廠運轉，光是2011年，德國超過3分鐘的停電次數累計高達20萬次以上[1]。這種斷電問題需要儲電設施來穩定電壓。另外也可使用儲能系統將夜間離峰時多餘的電力儲存，在白天時釋放電能補充，此效用稱為削峰填谷，如圖1所示[2]。此外智慧電網、微電網的發展，電動車輛的普及都需要大電力調配的儲能設施。

儲能設施可分成物理性與化學性兩種。第2節將先介紹物理性儲能，包含抽蓄水力、超級電容、與飛輪。第3節介紹化學性儲能，第4節介紹氫能與燃料電池。

圖1：四季日負載曲線與儲能系統的削峰填谷作用。（資料來源台灣電力公司）

2. 物理性儲能

現全球99%的儲電是以水力抽蓄發電達成。台灣在1985年興建明湖抽蓄水力發電，以位於於南投的日月潭為上池、明湖及水里溪為下池，裝置容量設計為1000 MW。1995年再度擴大規模，以日月潭為上池，明潭水庫作為下池，上下池位差約380公尺。明潭抽蓄水力發電廠裝置容量約1,600 MW，為全球第九大的抽蓄水力發電廠。兩部抽蓄儲電總容量超越一座核電廠，平日尖峰時約可提供4.8%電力[2]，穩定台灣電力運作。

水庫儲電需要特殊地理環境，兩個水庫距離近、落差大的，占地幅員廣闊。它的建置對生態環境影響很大，無法隨意設置。台灣已無合適空間再增置抽蓄水力。也有人提倡利用高樓的微型化抽蓄水力機組，但容量有限，只能當成小社區型的穩壓設施，難以大量推廣。

電容器是很簡便的電荷儲存裝置，近年來新穎介電材料與電極的出現，使電容的容量有快速發展，形成超級電容。即便是如此，超級電容只能取代充電電池，取其可充放電次數遠高於化學性的充電電池。超級電容的另一優點是功率密度高，可以在短時間使用大電流充放電。適用於電動車啟動瞬間的大電流，或者接收煞車時動能回收的電流。

飛輪是利用轉動時角動量守恆以保留能量，搭配線圈與磁場，即可成為發動機或發電機。飛輪也是大功率密度的儲能裝置，而且能量密度比超級電容大，故更適合於較大型的交通工具，例如：鐵路列車。但因為大型的飛輪裝置重量仍是一大障礙；磁懸浮承軸是克服軸承摩擦力的主要技術，但維持磁場的電流也會降低儲電量。未來發展趨勢是配合超導磁鐵，就可以達到更高的能量密度。

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