儲能市場龐大 電池新技術現身

科學家已成功在實驗室開發氮化鈦鋁電池。來源：ETHZ

以太陽光電及風力發電為主的再生能源，普遍有著供電不穩定及電力不可調度等問題，這就有賴於儲能技術和方案的助力。儲能技術的運作方式，簡單來說是將不易儲存的電能量，轉換為更加便利或經濟的形式進行儲存，並在適當的時機或地點將電能量釋出給負載或併入電網使用。

隨著再生能源發電比例的增加，儲能系統 (Electrical Energy Storage System；EES)的需求自然水漲船高。根據TrendForce預估，至2020年，全球儲能市場產值將可達到350億美元，其中又以電化學儲能貢獻最大。

儲能技術多樣  鋰電池仍是主流

根據國際標準組織「國際電工委員會(International Electrotechnical Commission；IEC)」的分類，依能量儲存形式的不同，儲能系統可概分為五大類別，包括機械、電化學、化學、電力及熱能儲能等。

在這些儲能技術中，由於電化學儲能不易受地理環境限制，因此現階段儲能系統以此方面技術為主，包括鉛酸電池、鋰電池、液流電池等，其中又以鋰電池具有體積小、能量密度高等優異特性而逐漸成為市場主流。

根據Frost & Sullivan的報告，2018年全球電網規模的電池儲能系統發電量將自2017年的4,029.8MWh成長至6,144.3MWh，幅度達 52.5%；裝置容量亦從2,284.2MW成長至2,724.5MW，成長主因來自鋰電池與液流電池(Flow Battery)。

2017年各類電池的裝置容量佔比依序為鋰61.3%、以鈉為材料(sodium based)25.6%、液流10.2%、鉛酸(Lead Acid)2.9%與以鎳為原料(nickel based)0.1%，2018年前三大類的佔比則為鋰60.7%、液流19.1%與以鈉為材料18.2%。

若就應用區隔來看，再生能源中，目前仍以太陽能發電對於儲能電池需求最大。做為目前全球最普遍的再生能源系統，太陽能應用在初期大多為偏遠地區的離網發電，但隨著智慧電網架構的興起，直接併入電網將成為主流趨勢。

目前在太陽能儲能系統中，併網儲能系統的市場需求逐年成長，也是市佔率最大的應用，隨著電池產能擴增，TrendForce預估2018年市場規模將達到1.9BWh。

改善鋰電池  追求低成本及高密度

鑑於鋰電池在電池儲能市場的主流地位，全球有許多業者持續投入鋰電池儲能技術的發展，希望能以以更低的成本實現更高的能量密度，例如Cadenza Innovation Inc.的鋰離子超大電池(Super-Cell)技術，據悉能較現行鋰電池價格低30%，但能量密度高30%，且透過緊密封裝結構，以及搭配有效的排氣機構與壓力斷開裝置(PDD)，可實現具有高安全性且具高體積能量密度的大電池系統。

CAMX Power則是開發電池負極含大量鎳的鋰電池，透過化學或電化學反應改善能量密度與生命週期。CAMX Power宣稱應用負極新材料CAM-7的電池容量將超過200mAh/g，且即使在低於零下20℃的溫度下，充電量仍能達到80%。

鋰礦藏不多  新材料電池求突破

不過，鋰電池雖仍是儲能系統的首選，但由於鋰礦蘊藏量不多，且隨著科技進步，也有越來越多兼具低成本與環保的儲能技術現身，未必不會威脅到鋰電池在儲能領域的龍頭寶座。

例如，工研院與美國史丹福大學共同合作研發的「可高速充放電鋁電池」，搭配再生能源，將成為儲能重要技術。此技術是以地球上蘊藏豐富的石墨和鋁為原料，開發出全球第一個可以穩定充放電的鋁電池，只要一分鐘便可完成充電，且重複充放電逾萬次，仍可維持高蓄電量。

在安全性方面，鋁電池所使用的離子液體在室溫下是液態的鹽類，即使遇到高溫短路或受到外力破壞，也不會爆炸燃燒，這正是鋁電池備受期待的關鍵之一。

此外，瑞士聯邦材料科學技術實驗室(Empa)與蘇黎世聯邦理工學院(ETHZ)已找出氮化鈦(titanium nitride)與聚芘(Polypyrene)這兩種良好替代材料，可望提升鋁電池效率與增加用途廣泛性。

根據《Advanced Materials》報告，前者為導電性高與耐腐蝕性強的合成陶瓷材料，由常見的鈦和氮元素組成，且易於製造；後者則為碳氫化合物，儲存容量可與石墨相競爭，可做為電池正極材料。雙方科學家已成功在實驗室打造氮化鈦鋁電池。

另一研究方向是採用鈉，地球上鈉含量比鋰礦豐富，鈉離子與鋰離子具有相似的運作模式，且未來可望較鋰離子電池更加便宜有效、安全疑慮更低，因此現有不少研究單位投入鈉離子電池開發。

包括法國國家科學研究中心(CNRS)、美國華盛頓州立大學(WSU)和史丹佛大學都在開發鈉基電池。其中，2017年史丹佛大學團隊開發了一種新型鈉離子電池，可以儲存和目前市場上最先進鋰離子電池一樣多的容量，但成本僅不到鋰離子電池的80%，不過，目前該電池仍需要進一步最佳化，才能克服穩定性與能量密度低的挑戰。

儲能成本降低  推動再生能源普及

展望未來，根據德國萊因TÜV發布的2018儲能系統重量級白皮書指出，當儲能電池的建置成本每度電從現在的250美元降到150美元時，儲能市場將蓬勃發展。

德國是目前儲能系統應用最成熟的市場。2014年由德國萊因TÜV與多家德國研究機構和大學共同撰寫的「電池系統安全導則」及2PfG 2511/09.14標準的發布，為2017年德國儲能產業標準VDE-AR-E 2510-50奠定技術基礎，並成為全球首個儲能系統全面的安全評估標準。安全性是儲能系統最重要的評估指標，包括電氣安全、電池安全、功能安全、運輸安全、電磁相容、環保和併網介面保護等。

德國萊因認為隨著補貼政策的完善及成本的下降，2020年有望成為儲能大量商業化的元年。未來儲能電池及系統成本一旦降低，再生能源與傳統石化能源將有機會實現平價競爭。

迎接儲能商機爆發，台灣產官學研界日前成立「台灣儲能系統產業推動聯盟」，參與成員包括工研院、台電綜合研究所、台經院、台大、清大等學研機構，以及台達電、大同、中油、康舒、亞力電機、中興電工、協同能源等20多家廠商。

整體而言，台灣以鋰電子電池產業為主體的儲能系統供應鏈堪稱完整，不過仍需強化部分關鍵電子元件及材料的掌握度，此聯盟的成立目的就是為了整合相關供應鏈，進而提升台灣儲能產業的競爭，全面做好進入全球儲能市場的準備。