可以居住的大型環保電池?新世紀住屋時代(上)

數位公民記者陳原本 2020-12-16

提到電池,大部分的人會想到的是電池的「續航力」以及其「儲能」能力。不久的未來,也是必然的趨勢。未來的電池將具有「居住」、「環保」與「儲能」三個特性,成為新一代住屋的特徵。
 
什麼是結合「居住」與「環保」的電池呢?這是最近在國際間興起,居住空間的新趨勢智慧綠能建築。近年來,各國意識到因為人類對於居住環境與生活需求,間接、直接性的對地球生態環境已經產生十分嚴重的影響。大家最耳熟能詳的莫過於「地球暖化」現象。其中「交通」、「商業」、「製造」和「生活」是能源消耗和排放溫室氣體造成地球暖化的主要源頭。
 
在商業行為中,生產製造所產生的碳排放無法避免,只能謀求最適切的方式予以降低,現階段解決之道就是大量使用再生能源所產生的「綠電」,以降低燃碳、燃油所產生的電力能源依賴。Google、蘋果等國際大廠已經登高宣示,將分階段採用再生能源,並最終完全使用再生能源。此宣示也讓旗下供應鏈有著必須跟進使用綠電的壓力,最近台灣綠能的一大事蹟便是在今年78日,全球晶圓代工龍頭台積電與離岸風電大廠沃旭能源(Ørsted)共同簽訂920MW(百萬瓦)裝置容量離岸風場所發的綠電,此舉也成為目前全球規模最大企業購售電契約。隨著國內外大廠所吹起使用再生能源的號角,相信未來綠電很難不成為國家重點建設之一。
 
商業生產逐漸進入綠能時代,對於龐大數量的住家而言,也須同步採用綠能,以減少因使用傳統火力發電所產生的碳排放,進而減緩溫室效應。對此許多國家在除在能源發電源頭進入再生能源領域外,在消費層面上,則積極推動所謂的「智慧綠能建築」,這可能與大家耳熟能詳的綠色建築有些許的不一樣,並不僅只是「綠色的植物環繞」或是在屋頂上蓋幾片太陽能板這樣直接簡單,而是要由規劃設計到施工,以及內部機制都需符合才能稱為智慧綠色建築。。
 
構成智慧綠能建築最主要的概念就在於「建築能源管理系統」(Building Energy Management System)簡稱「BEMS」,此系統用來減少建築物對環境的負面影響,同時建立起智慧電網與能源監控設備,並整合高效能建材、智慧空調、照明、家電和智慧電表。換句話說,就是由能源供給、能源使用、能源管理、能源儲存四大項目環環相扣。
 
未來智慧住宅的電網運作。(圖片來源:翻攝資策會網站)
 
對此技術概念, 2019年中央大學的「白色能源屋」便有了具突破性的展現,此建築集「創能」、「儲能」與「節能」三大技術,讓我們看見什麼是可居住的電池。
 
零元電價時代
隨著建築技術與太陽能、風力發電等再生能源技術的進步,「節能」與「創能」已經進入穩定的階段,而「儲能」才是現在國際間真正開始重視的議題。
 
不過對於「創能」的部分,現行的核能發電、燃煤、天然氣發電,與再生能源的意義背道而馳,而且價格、穩定性與環保不同層面上,往往讓民眾一方面使用,另一方面卻質疑其不夠環保。
 
但是再生能源中的太陽能與風力發電,雖有著環保的優勢,卻依舊難逃質疑,其中最多出現的疑問不外忽「沒有太陽怎麼辦?」、「沒有風怎麼辦?」據21世紀可再生能源政策網(REN21)的報告文獻指出,在北回歸線所經過的地區,會受到副熱帶高壓的影響,導致水氣較少,因此適合發展太陽能光電;而若是臨海且為季風型氣候的地區,即具備發展風力發電的優勢,放眼台灣,中南部以及西部海岸皆符合上列條件,因此不論是發展太陽能或是風力發電具備潛力,甚至優於歐洲許多已經擁有多年風力發電歷史與成熟技術的國家。
 
擁有優異的太陽能發展條件,固然值得欣喜,但卻有可能發生發的電供過於求的現象,甚至成為零價值的產物。在美國西南方的加州太陽能發電量占供電比重超過50%的「加州獨立電網營運商」(California Independent System Operator,簡稱CAISO),在有太陽的時段,太陽能板發電量滿載,因產生的電力大過於用戶需求,變成電價一度掉到零元,這種現象在未來再生能源佔比越來越大,且發電成本越來越低、發電量因技術設施躍進而大幅成長之際,將可能變成常態。倘若城市裡,每棟樓房屋頂都設置太陽能板,在同一時間電網超載情況勢必大增。因此我們真正該面對的已經不是日前突飛猛進的「創能」技術,而是能夠解決在沒太陽、沒風時,依舊能持續並穩定供給電能的「儲能」技術。
中華顧問工程司位於苗栗後龍的綠能屋,目前屬於實驗性質,期望最終可擺脫大電網,電力與水部分自給自足。未來可應用於社區與偏鄉等地。
 
儲能是平衡供需的關鍵
再生能源有著天生的關鍵課題難以解決,那就是有著來源不穩定性先天缺點。風能發電,沒風就成了巨大的裝置藝術;陽光不夠或是陰雨天,太陽能發電就只能停擺,如此種種不穩定性,是發展再生能源前必須要嚴肅正視的課題。風力有可能停歇,太陽能晚上無法發電。日間的發電或許能滿足國內用戶的需求,對於夜間或是再生能源發電不穩定之際,則有可能讓民眾生活大亂。因此在積極發展再生能源之繼也必須要有配套設施,例如傳統發電有著穩定的佔比,以提供穩定的發電電力輸出。另外的作法,就是積極發展儲能系統,讓全天候的電力供應,以「削峰填谷」的概念去做。
 
台灣並非沒有儲能作為,而且很早就有發展。日月潭就是其中最為顯著的例子。日月潭的抽蓄發電,尖峰的時候就水由上而下經過發電機進行發電,當深夜為用電離峰之時,就把下池的水抽上去存放,待日間用電尖峰時用於發電。只不過台灣水庫淤塞情形嚴重,抽蓄式的儲能並未能滿足需求,而且水力發電是看天吃飯,雨量不夠,水庫水位過低,都會影響發電效能,更不用說還用於抽蓄儲能。
 
台達電所發展的儲能櫃,現台電公司也有採用。(圖片來源:台達官網)
 
 
隨著科技的進步,電池儲能的效能有著跳躍性的發展,逐漸推向小體積大電量的方向。換句話說,在同體積的範圍內,傳統鉛酸電池的儲電效能比鋰離子電池還要低,因此國際紛紛將儲能的作為部分採用貨櫃電池的方式存放。根據估算,一個平常可見的40呎貨櫃,可提供1.5MWh的電力,相當於一戶家庭5個月的平均用電量,當再生能源或是其他發電方式所產生的多餘電力,即可儲存於此,待發電量不足之際,再逆向回到電網穩定供電。
 
以國外目前的案例來說,在各種再生能源的成本下滑,儲能電池的技術也成熟之時,即可形成電力供應的完美平衡。美國亞利桑納州完成了一項太陽能整合儲電裝置的案子,即透過綠電在全時段全面供給超過2萬個住戶,且平均每度僅約台幣1.3元的電力,比台灣的超低電價還要便宜。這也證明了,再生能源勢必得加上儲能科技的協助,才能維持供電的穩定性,以達到全天候24小時綠能供電的目標。
 
「儲能裝置」做為一個最佳的電力緩衝裝置,無論是為了提高發電效率,或是提升再生能源發電,都讓儲能系統同時兼具多種不同的電力關鍵角色。根據 TrendForce 綠能研究(EnergyTrend)調查,全球大型儲能(BESS)容量將在 2020年達到3.2GWh,這也反映出儲能是綠能產業不可缺少的一環。在台灣儲能產業也隨著政府2025年再生能源達20%的發展目標規劃,根據長泓能源科技的報告指出,預估在2025年需建置儲能系統約600MWh,其中約27%由台電自建,餘需要向民間購買,並採先慢後快方式推動,至2025年約600MWh,大概有台幣720億的需求。

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