在一個潮濕夏季的炎熱午後,某個大都市無預警停電;在那之後不久,同樣的那個傍晚,在電力公司的電網電腦系統深處,響起一個透過網際網路發送的區域性警報,對象是數不清的Tesla Model S電動車,它們的自動駕駛系統立即透過GPS被設定行駛路線,目標是受停電影響的電網子發電站。

在此同時,一個個車庫門被打開,啟動了自動駕駛功能的電動車紛紛湧現、轉向郊區的道路,看似在夢遊、其實全神貫注於週遭情況;它們進入高速公路閘道,開始一段透過電源轉換器機組支援停電區域電源的旅程。每一台電動車的電量可達85千瓦小時(kW-hr),可提供停電區域醫療院所、商業機構以及一般住家緊急電源,直到電力公司恢復供電。

而那些電動車的主人還可以獲得額外獎金:他們將能源賣回給電力公司,跟在夜間為電動車充電所花費的成本相比,利潤很不錯─投資報酬率最高可達六倍──其他地方很難有這麼好的賺錢機會。

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圖1:配備自動駕駛功能的Tesla電動車。(圖片來源:Tesla Motors)

以上是美國電子設計服務業者Nuvation共同創辦人暨執行長Mike Worry所構想的、有如好萊塢電影或科幻小說情節一般的未來,或許在未來五年就會成真;你以為那只是幻想?事實上,汽車大廠Nissan在5月才宣佈一項新試驗計畫,能讓英國的電動車擁有者將自家電動車的電力賣回給電力公司。

這項V2G (vehicle-to-grid)計畫是Nissan與義大利電力公司Enel以及英國國家電網(National Grid)合作開發,在英國有100輛Nissan LEAF電動車的主人將採用特製的雙向充電站,在用電尖峰時刻把電動車儲存的電力賣回給電網。目前在英國有大約1萬8,000輛LEAF電動車,如果那些車通通都連線,總計可提供180MW的電量。

聽聽專家們的說法

為了讓EDN的讀者們對於目前的大規模能源儲存方案以及超級電容(ultracapacitor)等技術有更清楚的了解,筆者最近訪問了Nuvation的Worry以及電源解決方案供應商Maxwell Technologies區域銷售經理Martin Mills。

我們的討論以與時俱進的電池和超級電容技術,如何解決太陽能與風力發電的產能波動為出發點。Worry表示,這是結合高功率超級電容與高能量電池混合應用的良好案例,在這類應用中,對大量能源的需求,能結合提供數小時電力的電池與具備優異反應時間及循環壽命的超級電容來因應。電池的循環壽命為數千次,超級電容的循環壽命可達數百萬次。

也就是說,如果每天有十幾次陣風,風力發電機在一年內就可能耗盡一顆電池的壽命;而如果混合使用超級電容,就可以建構一個利用超級電容處理頻繁高度電源波動的品質系統,減緩電池的耗損。Worry指出,這對發電機運作與成本都有好處;Nuvation發現,那些能源儲存系統得為了某個問題的各個部分打造不同的解決方案,超級電容與電池能妥善因應這類情況。

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圖2:風力發電場正在崛起。(圖片來源:Caithness Energy)

Mill補充指出,以Maxwell的觀點來看,超級電容在這類混合式系統中確實是電池的好幫手,能有助於延長電池壽命,也可能降低對電池規模的需求;運作溫度範圍也是超級電容的另一項優勢,儘管這類系統大多數都配備某種溫度管理功能。比起電池,超級電容具備優異的超低溫耐受能力,因此如果系統佈建了超級電容,就不需要採用太複雜或太昂貴的溫度管理設計。

筆者先前有一篇文章,曾探討過超級電容與電池在超級炎熱的美國亞利桑那州輕軌交通系統之應用;Mills表示,超級電容在交通與電網應用領域的應用主要有兩種,如果是佈建於輕軌車輛本身就算是交通應用,而如果是應用於透過再生剎車(recuperative/regenerative braking)擷取能量的軌道旁(wayside)能量儲存系統,則算是電網應用。

為電力用戶節省電費

另一個問題是,如何利用智慧儲存電子裝置來實現組合式(stacked)的電力公司服務?例如在離峰時間用電、並在尖峰時刻將能源賣回給電網,好讓電費支付者省錢的需量電費(demand charge)減免服務;還有超級電容如何因應這類使用情境?

對此Worry感嘆,新興能源儲存產業最迷人的部份,就是我們正在採用的能源只是瞬間、交易型(transactional)的,我們卻正在發明一個概念,讓能源能被儲存,然後利用能源管理軟體來應用那些被儲存的能源。也就是說,想像在過去我們能把錢儲存在銀行、或是能以書寫的形式來儲存資訊,但現在我們是把能源儲存起來,並因此衍生出全新的經濟 模式。

把那些服務組合起來的功能實際上是在軟體層面,而那些諸如需量電費減免、負載轉移(load shifting)或是電表後端(behind-the-meter)等能快速回收利潤、證明投資報酬率(ROI)的應用,則是都與電力公司如何為電力訂價有關。

如果電力公司以你最高用電量來收取溢價,當然這就會激勵產業找出他們可以扮演什麼樣的角色,以能量儲存的方式協助降低需量電費;相同的,如果電力公司在一天之內針對不同時段有不同收費標準,就會激勵產業以改變使用時間的方式來利用能源。Worry認為,我們將會看到新興的住宅能源儲存系統,基本上可以做決策、組合那些不同型態的演算法以找出最佳的能源儲存利用方式,為使用者節省電費。

然後在電力公司的電表這一端,我們也會看到組合式服務做出不同的決策;因為在電力公司的層級,有一些諸如可再生能源整合、頻率調節等在較大層面執行且需要做不同決策的事情,這會是在電網層級執行的另一套演算法組合服務。

筆者居住在美國亞利桑那州,利用沙漠地帶日照充足的優勢,本地有很多居民安裝住宅用太陽能發電裝置,因此有不少住戶認為他們可以輕鬆地擺脫公用電網;但實際上如果沒有能源儲存設備會是很困難的,因為這裡在雨季或是一年內的某些時候仍然有陰天。這類住宅用太陽能發電裝置平均是十年左右才能回收初始投資;因此組合式使用有助於減輕屋主電費負擔。

Worry認為,我們將會看到一些能源儲存設備以大量、小型化家用系統的形式問世,讓民眾能改善其電費帳單;不過能源儲存設備的最大推動力還是在於電力公司規模,而他也認為,許多電力公司都有很高的再生能源配額制度(Renewable Portfolio Standards,RPS)目標,如圖3。

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圖3:美國29個州以及華盛頓特區的再生能源配額制度(RPS)策略。(圖片來源:Berkeley Lab)

當再生能源發電量超出電力公司負擔

Worry住在美國加州,目前有42%的公用電力是採用可再生能源;這已經導致了例如在夏日午後會發生的太陽能縮減(solar curtailment)情況;因為可以回饋給電網的太陽能發電量過多,超出了電力公司可吸收量。這是一個值得探討的課題,德國最近也曾發生太陽能縮減情況。

我們可能會開始看到一個「負費率(negative rate)表」的情況,也就是說如果電網是舊有系統,在發電量不足時有很多處理額外能源的能力,例如過度負載(an excess of load);不過,如果有太多再生能源回饋到電網時,電力公司就無法處理。Worry指出,再生能源過度負載的解決方案,就是大幅提高能源儲存量。

加州為此上呈聯邦政府,表示面臨太陽能過量的問題,而因為沒有足夠的負載能利用在夏日午後產生的過量太陽能,是否該暫緩實施太陽能收入津貼(Solar Income Credits);聯邦政府的回覆當然是「不行」,必須維持發放津貼,因為這是美國全國性政策,加州需要想辦法解決。

於是,加州真的想了辦法解決,表示將佈署1.36GW-hrs的能源儲存設備;這會是數10億美元的投資,不過將分配給多家供應商。當然,這方面的努力會是由電力公司主導,而知名市場以及政府指令在其中扮演主要推手。

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圖4:圖右方的黑盒子就是Nuvation的電網電池控制器(Grid Battery Controller),能控制數個電池組,實現MW等級的電池管理。(圖片來源:Nuvation)

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