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依「技術成熟、成本效益、均衡發展、帶動產業、電價可接受」原則,達成再生能源目標

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科技新知

實現潔淨發電:新一代電池與儲能技術

  • 發佈日期:2022/10/12
  • 資料來源:聯合新聞網
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2022-10-09 13:17 聯合新聞網/CTimes零組件

圖一 : 儲能系統(ESS)已經不僅僅是儲能單元。而是根據安裝的規格和目的,讓這些設備以及DC-AC逆變器的管理能夠達到最大效益化。(source:Saft/TotalEnergies;作者整理)

【作者: 盧傑瑞】

對於再生能源電力系統來說,由於天氣、陽光和季節性變化引起的巨大輸出波動問題,使得發電狀態幾乎都是間歇性,因此很難將它們穩定地連接到商業電網。在此困境下,當然最佳的解決方案就是開發大規模的儲能電池技術,當發電之後,就可以將電力儲存起來。

此時,儲能系統(Energy Storage System;ESS)就扮演著穩定供電的核心角色,但在今天,在尋找技術和成本效益上的方法來儲存電力是一項重大挑戰。雖然目前有許多技術方案,但卻沒有單一的「最佳」的解決方案。這取決於許多因素,這包括了電力儲存容量、充電/放電/使用周期、設置地點和成本結構等等。

歐洲廢舊電池組回收再利用逐年成長

在面對成本壓力,已經有一些業者和工程師提出,回收再使用廢舊電池組。這些廢舊電池通常是從各種類型車輛,或各儲電站中有條件式的回收。根據廣泛使用的標準,當電池的容量下降到其初始容量的80%時,就可以被宣佈已經達到「第一階段汰除」需更換新電池的程度。

然而,回收再使用廢舊電池有幾個不可忽視的問題。首先,鋰離子電池的特點是體積能量密度高,但在大規模配置中,必須對充/放電/溫度和故障安全等各種參數,進行複雜的多級監控。第二個問題是安裝時,鋰離子電池已經有20%壽命老化的程度。

最後,還有電池管理的問題。可充電電池具有不同的工作特性,必須非常小心處理,即使它們是同一類型,由於充電/放電週期、溫度變化,以及在使用和儲存過程中在惡劣環境中的處理不同,分開管理和更換週期是必需的。

管理這麼大的電池並不容易,但是給這些電池「第二次生命」並重新使用它們的想法顯然很有吸引力,至少在某些情況下(第三次生命階段是回收)。

圖二 : 歐洲可重複使用鋰離子電池的應用。(source:Circular Energy Storage;作者整理)

以固體形式儲存電力:熔鹽電池滿足低成本目標

以目前電池所使用的材料和技術來看,包括鉛酸電池、鈉硫電池和鎳金屬氫化物電池等,這些技術都存在一個共同的問題,就是在儲存期間會發生自發性放電。例如,車輛長時間停放不使用時,電池就會緩慢被放電直至耗盡為止。因此全球的電池業者投入了相當大的資源,期望開發出更緩慢自發性放電技術,或甚至完全閉鎖便利儲存的技術。

美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)的一個研究小組開發了一種鋁鎳熔鹽電池,利用熔鹽電解質的「凍結和融化現象」來達到防止電池的自發放電。

這款鋁鎳熔鹽電池可以保持90%以上的儲存電量長達12週。在電力供需有餘量的情況下儲存電力能量,並在電力需求增加時,可以低成本的將電力提供給電網系統。

熔鹽電池觀念是在第二次世界大戰期間,德國為V2火箭所開發的一項技術。其原理是,透過採用在室溫下不導電的固體無機鹽作為電解質,讓正負電極在電力儲存期間處於絕緣狀態,從而防止自發放電。當電解液被加熱形成熔鹽時,會產生離子導電性,來作為啟動機制,提供電池放電的能力。

具體上PNNL是將電解液中的熔鹽加熱到180℃左右,就具有離子導電性和可充放電性。反之,當熔鹽冷卻到室溫時,就會開始凝固並失去導電性,進而抑制了自發放電,並能長期保持電力儲存的狀態。非常適合應用在發電間歇波動較大的再生能源發電,解決了季節性或時間性穩定輸出需求的一個重要方式。

PNNL研究小組更進一步的透過採用鋁陽極和鎳陰極,並在電解質中添加了硫磺來提高能量密度。經過開發出的試作品試驗,PNNL發現這款電池,可以在長達12周的時間內保持92%的初始儲存功率容量,同時獲得260Wh/kg的理論能量密度,這比鉛酸電池和液態電池的能量密度更高。

此外,陽極和陰極之間的隔板由簡單的玻璃纖維製成,而不是昂貴且易碎的陶瓷隔板,來確保低成本和堅固性。PNNL預計在使用更便宜的鐵材料後,可將成本降低至6美元左右,這相當於目前鋰離子電池材料成本的1/15。
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