再生能源發展的新契機-全釩液流電池概述

作者/周宜欣(行政院原子能委員會核能研究所助理研究員)、魏華洲(行政院原子能委員會核能研究所化學組副組長)

隨著各國再生能源發電政策推行與再生能源技術快速發展,太陽能發電與風力發電等架設數量日益增加,但再生能源具有隨機性、間歇性與季節性發電等問題,使得其不易穩定供電,未來再生能源若朝向規模化發展,勢必優先解決其合併至電力系統,所帶來電力不穩的衝擊。因此目前提出若將電力系統搭配儲能裝置,即可快速平緩電力的負載變化,提升再生能源的可利用效率。

全釩液流電池為現有電化學儲能設施中操作壽命最長、安全性最佳、最容易擴充儲存電能容量,並能精準追蹤充電狀態,達到穩定儲存/釋放電能之功效,完美調節再生能源的不穩定性,於再生能源大規模應用時,必定為所需之關鍵設施。

全釩液流電池之基本組成,可視為以離子交換膜分隔正負極,兩側以電極、流道板、集電板與雙極板等堆疊成一組單電池,幫浦分別輸送不同價態的釩離子溶液(正極:VO2+/VO2+;負極:V3+/V2+),進入電池正、負極端進行電化學儲能反應,如圖一所示。電池進行充電時,由外部電源獲得電能,使正極端四價釩離子氧化成五價;負極端是從三價釩離子還原至二價,放電時化學反應恰為相反,藉由釩離子濃度的變化,電能和化學能能相互轉換,使其達成儲存/釋放電能。

全釩液流電池之儲能容量,由儲存槽中的電解液容積與釩離子濃度決定;輸出功率則取決於電極的面積,兩者可以獨立設計,使全釩液流電池具設計靈活度大,且受設置場地限制小之優勢。

此外,因為電化學的氧化還原反應速率快,使全釩液流電池具極佳的充放電靈敏度,負載追蹤再生能源可達到毫秒等級,成為維持電力品質的理想儲能系統。各先進國家紛紛投入經費執行計畫加速研發全釩液流電池,目前全釩液流電池已應用於德國佩爾沃爾姆(Pellworm)島,穩定太陽光電、風力發電的輸出功率及維持電力穩定,提升再生能源之供電品質。而2010年,日本經濟產業省為了驗證導入再生能源對電力系統穩定性的影響,由九州電力、沖繩電力與富士電機合作執行經濟產業省資源能源廳「島嶼獨立型系統新能源導入實證事業──島嶼微型電網系統試驗」,於島嶼的獨立電力系統下,將太陽能發電和風力發電等再生能源與儲能裝置連接,並補助用戶使用儲能系統,目標達成全綠能供電。

配合國內再生能源及電力系統總體規畫發展,加上最近國際油價變動劇烈,頁岩油及頁岩氣的大量開採,勢必影響全球儲能產業規模,因此原子能委員會核能研究所深入研究全釩液流電池,以期掌握關鍵技術,促成再生能源利用效率提升,降低石化燃料使用比例及二氧化碳排放量,減緩溫室效應。除此之外,能源局選定澎湖作為綠能示範場域,預計在該示範場域建置儲能測試平台,加速再能源研發示範工作與促進商業化及產業化進程,並提供國內廠商進行儲能技術及電能管理控制技術之驗證,使綠能相關產業廠商取得實地驗證之實績,藉此拓展綠能市場,使本國於往後的綠能時代亦能確立相關產業具體方案及發展進程。

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