创新能源储存技术大观

新兴能源储存产业最迷人的部份，就是让能源能被储存，然后利用能源管理软体来应用那些储能。

在一个潮湿夏季的炎热午后，某个大都市无预警停电;在那之后不久，同样的那个傍晚，在电力公司的电网电脑系统深处，响起一个透过网际网路发送的区域性警报，对象是数不清的Tesla Model S电动车，它们的自动驾驶系统立即透过GPS被设定行驶路线，目标是受停电影响的电网子发电站。

在此同时，一个个车库门被打开，启动了自动驾驶功能的电动汽车纷纷涌现、转向郊区的道路，看似在梦游、其实全神贯注于周遭情况;它们进入高速公路闸道，开始一段透过电源转换器机组支援停电区域电源的旅程。每一台电动汽车的电量可达85千瓦小时(kW-hr)，可提供停电区域医疗院所、商业机构以及一般住家紧急电源，直到电力公司恢复供电。

而那些电动汽车的主人还可以获得额外奖金：他们将能源卖回给电力公司，跟在夜间为电动汽车充电所花费的成本相比，利润很不错─投资报酬率最高可达六倍──其他地方很难有这么好的赚钱机会。

图1：配备自动驾驶功能的Tesla电动汽车。

以上是美国电子设计服务业者Nuvation共同创办人暨执行长Mike Worry所构想的、有如好莱坞电影或科幻小说情节一般的未来，或许在未来五年就会成真;你以为那只是幻想?事实上，汽车大厂Nissan在5月才宣布一项新试验计画，能让英国的电动车拥有者将自家电动车的电力卖回给电力公司。

这项V2G(vehicle-to-grid)计画是Nissan与义大利电力公司Enel以及英国国家电网(National Grid)合作开发，在英国有100辆Nissan LEAF电动车的主人将采用特制的双向充电站，在用电尖峰时刻把电动车储存的电力卖回给电网。目前在英国有大约1万8,000辆LEAF电动车，如果那些车通通都连线，总计可提供180MW的电量。

听听专家们的说法

为了让EDN的读者们对于目前的大规模能源储存方案以及超级电容(ultracapacitor)等技术有更清楚的了解，笔者最近访问了Nuvation的Worry以及电源解决方案供应商Maxwell Technologies区域销售经理Martin Mills。

我们的讨论以与时俱进的电池和超级电容技术，如何解决太阳能与风力发电的产能波动为出发点。Worry表示，这是结合高功率超级电容与高能量电池混合应用的良好案例，在这类应用中，对大量能源的需求，能结合提供数小时电力的电池与具备优异反应时间及循环寿命的超级电容来因应。电池的循环寿命为数千次，超级电容的循环寿命可达数百万次。

也就是说，如果每天有十几次阵风，风力发电机在一年内就可能耗尽一颗电池的寿命;而如果混合使用超级电容，就可以建构一个利用超级电容处理频繁高度电源波动的品质系统，减缓电池的耗损。Worry指出，这对发电机运作与成本都有好处;Nuvation发现，那些能源储存系统得为了某个问题的各个部分打造不同的解决方案，超级电容与电池能妥善因应这类情况。

图2：风力发电场正在崛起。

Mill补充指出，以Maxwell的观点来看，超级电容在这类混合式系统中确实是电池的好帮手，能有助于延长电池寿命，也可能降低对电池规模的需求;运作温度范围也是超级电容的另一项优势，尽管这类系统大多数都配备某种温度管理功能。比起电池，超级电容具备优异的超低温耐受能力，因此如果系统布建了超级电容，就不需要采用太复杂或太昂贵的温度管理设计。

笔者先前有一篇文章，曾探讨过超级电容与电池在超级炎热的美国亚利桑那州轻轨交通系统之应用;Mills表示，超级电容在交通与电网应用领域的应用主要有两种，如果是布建于轻轨车辆本身就算是交通应用，而如果是应用于透过再生刹车(recuperative/regenerative braking)撷取能量的轨道旁(wayside)能量储存系统，则算是电网应用。

为电力用户节省电费

另一个问题是，如何利用智慧储存电子装置来实现组合式(stacked)的电力公司服务?例如在离峰时间用电、并在尖峰时刻将能源卖回给电网，好让电费支付者省钱的需量电费(demand ge)减免服务;还有超级电容如何因应这类使用情境?

对此Worry感叹，新兴能源储存产业最迷人的部份，就是我们正在采用的能源只是瞬间、交易型(transactional)的，我们却正在发明一个概念，让能源能被储存，然后利用能源管理软体来应用那些被储存的能源。也就是说，想像在过去我们能把钱储存在银行、或是能以书写的形式来储存资讯，但现在我们是把能源储存起来，并因此衍生出全新的经济 模式。

把那些服务组合起来的功能实际上是在软体层面，而那些诸如需量电费减免、负载转移(load shifting)或是电表后端(behind-the-meter)等能快速回收利润、证明投资报酬率(ROI)的应用，则是都与电力公司如何为电力订价有关。

如果电力公司以你最高用电量来收取溢价，当然这就会激励产业找出他们可以扮演什么样的角色，以能量储存的方式协助降低需量电费;相同的，如果电力公司在一天之内针对不同时段有不同收费标准，就会激励产业以改变使用时间的方式来利用能源。Worry认为，我们将会看到新兴的住宅能源储存系统，基本上可以做决策、组合那些不同型态的演算法以找出最佳的能源储存利用方式，为使用者节省电费。

然后在电力公司的电表这一端，我们也会看到组合式服务做出不同的决策;因为在电力公司的层级，有一些诸如可再生能源整合、频率调节等在较大层面执行且需要做不同决策的事情，这会是在电网层级执行的另一套演算法组合服务。

笔者居住在美国亚利桑那州，利用沙漠地带日照充足的优势，本地有很多居民安装住宅用太阳能发电装置，因此有不少住户认为他们可以轻松地摆脱公用电网;但实际上如果没有能源储存设备会是很困难的，因为这里在雨季或是一年内的某些时候仍然有阴天。这类住宅用太阳能发电装置平均是十年左右才能回收初始投资;因此组合式使用有助于减轻屋主电费负担。

Worry认为，我们将会看到一些能源储存设备以大量、小型化家用系统的形式问世，让民众能改善其电费帐单;不过能源储存设备的最大推动力还是在于电力公司规模，而他也认为，许多电力公司都有很高的再生能源配额制度(Renewable Portfolio Standards，RPS)目标，如图3。

图3：美国29个州以及华盛顿特区的再生能源配额制度(RPS)策略。(图片来源：Berkeley Lab)

当再生能源发电量超出电力公司负担

Worry住在美国加州，目前有42%的公用电力是采用可再生能源;这已经导致了例如在夏日午后会发生的太阳能缩减(solar curtailment)情况;因为可以回馈给电网的太阳能发电量过多，超出了电力公司可吸收量。这是一个值得探讨的课题，德国最近也曾发生太阳能缩减情况。

我们可能会开始看到一个“负费率(negative rate)表”的情况，也就是说如果电网是旧有系统，在发电量不足时有很多处理额外能源的能力，例如过度负载(an excess of load);不过，如果有太多再生能源回馈到电网时，电力公司就无法处理。Worry指出，再生能源过度负载的解决方案，就是大幅提高能源储存量。

加州为此上呈联邦政府，表示面临太阳能过量的问题，而因为没有足够的负载能利用在夏日午后产生的过量太阳能，是否该暂缓实施太阳能收入津贴(Solar Income Credits);联邦政府的回覆当然是“不行”，必须维持发放津贴，因为这是美国全国性政策，加州需要想办法解决。

于是，加州真的想了办法解决，表示将布署1.36GW-hrs的能源储存设备;这会是数10亿美元的投资，不过将分配给多家供应商。当然，这方面的努力会是由电力公司主导，而知名市场以及政府指令在其中扮演主要推手。

图4：图右方的黑盒子就是Nuvation的电网电池控制器(Grid Battery Controller)，能控制数个电池组，实现MW等级的电池管理。