储能市场庞大 电池新技术现身

科学家已成功在实验室开发氮化钛铝电池。来源：ETHZ

以太阳光电及风力发电为主的再生能源，普遍有着供电不稳定及电力不可调度等问题，这就有赖于储能技术和方案的助力。储能技术的运作方式，简单来说是将不易储存的电能量，转换为更加便利或经济的形式进行储存，并在适当的时机或地点将电能量释出给负载或并入电网使用。

随着再生能源发电比例的增加，储能系统 (Electrical Energy Storage System；EES)的需求自然水涨船高。根据TrendForce预估，至2020年，全球储能市场产值将可达到350亿美元，其中又以电化学储能贡献最大。

储能技术多样  锂电池仍是主流

根据国际标准组织「国际电工委员会(International Electrotechnical Commission；IEC)」的分类，依能量储存形式的不同，储能系统可概分为五大类别，包括机械、电化学、化学、电力及热能储能等。

在这些储能技术中，由于电化学储能不易受地理环境限制，因此现阶段储能系统以此方面技术为主，包括铅酸电池、锂电池、液流电池等，其中又以锂电池具有体积小、能量密度高等优异特性而逐渐成为市场主流。

根据Frost & Sullivan的报告，2018年全球电网规模的电池储能系统发电量将自2017年的4,029.8MWh成长至6,144.3MWh，幅度达 52.5%；装置容量亦从2,284.2MW成长至2,724.5MW，成长主因来自锂电池与液流电池(Flow Battery)。

2017年各类电池的装置容量占比依序为锂61.3%、以钠为材料(sodium based)25.6%、液流10.2%、铅酸(Lead Acid)2.9%与以镍为原料(nickel based)0.1%，2018年前三大类的占比则为锂60.7%、液流19.1%与以钠为材料18.2%。

若就应用区隔来看，再生能源中，目前仍以太阳能发电对于储能电池需求最大。做为目前全球最普遍的再生能源系统，太阳能应用在初期大多为偏远地区的离网发电，但随着智能电网架构的兴起，直接并入电网将成为主流趋势。

目前在太阳能储能系统中，并网储能系统的市场需求逐年成长，也是市占率最大的应用，随着电池产能增，TrendForce预估2018年市场规模将达到1.9BWh。

改善锂电池  追求低成本及高密度

监于锂电池在电池储能市场的主流地位，全球有许多业者持续投入锂电池储能技术的发展，希望能以以更低的成本实现更高的能量密度，例如Cadenza Innovation Inc.的锂离子超大电池(Super-Cell)技术，据悉能较现行锂电池价格低30%，但能量密度高30%，且透过紧密封装结构，以及搭配有效的排气机构与压力断开装置(PDD)，可实现具有高安全性且具高体积能量密度的大电池系统。

CAMX Power则是开发电池负极含大量镍的锂电池，透过化学或电化学反应改善能量密度与生命周期。CAMX Power宣称应用负极新材料CAM-7的电池容量将超过200mAh/g，且即使在低于零下20℃的温度下，充电量仍能达到80%。

锂矿藏不多  新材料电池求突破

不过，锂电池虽仍是储能系统的首选，但由于锂矿蕴藏量不多，且随着科技进步，也有越来越多兼具低成本与环保的储能技术现身，未必不会威胁到锂电池在储能领域的龙头宝座。

例如，工研院与美国史丹福大学共同合作研发的「可高速充放电铝电池」，搭配再生能源，将成为储能重要技术。此技术是以地球上蕴藏丰富的石墨和铝为原料，开发出全球第一个可以稳定充放电的铝电池，只要一分钟便可完成充电，且重复充放电逾万次，仍可维持高蓄电量。

在安全性方面，铝电池所使用的离子液体在室温下是液态的盐类，即使遇到高温短路或受到外力破坏，也不会爆炸燃烧，这正是铝电池备受期待的关键之一。

此外，瑞士联邦材料科学技术实验室(Empa)与苏黎世联邦理工学院(ETHZ)已找出氮化钛(titanium nitride)与聚芘(Polypyrene)这两种良好替代材料，可望提升铝电池效率与增加用途广泛性。

根据《Advanced Materials》报告，前者为导电性高与耐腐蚀性强的合成陶瓷材料，由常见的钛和氮元素组成，且易于制造；后者则为碳氢化合物，储存容量可与石墨相竞争，可做为电池正极材料。双方科学家已成功在实验室打造氮化钛铝电池。

另一研究方向是采用钠，地球上钠含量比锂矿丰富，钠离子与锂离子具有相似的运作模式，且未来可望较锂离子电池更加便宜有效、安全疑虑更低，因此现有不少研究单位投入钠离子电池开发。

包括法国国家科学研究中心(CNRS)、美国华盛顿州立大学(WSU)和史丹佛大学都在开发钠基电池。其中，2017年史丹佛大学团队开发了一种新型钠离子电池，可以储存和目前市场上最先进锂离子电池一样多的容量，但成本仅不到锂离子电池的80%，不过，目前该电池仍需要进一步最佳化，才能克服稳定性与能量密度低的挑战。

储能成本降低  推动再生能源普及

展望未来，根据德国莱因TÜV发布的2018储能系统重量级白皮书指出，当储能电池的建置成本每度电从现在的250美元降到150美元时，储能市场将蓬勃发展。

德国是目前储能系统应用最成熟的市场。2014年由德国莱因TÜV与多家德国研究机构和大学共同撰写的「电池系统安全导则」及2PfG 2511/09.14标准的发布，为2017年德国储能产业标准VDE-AR-E 2510-50奠定技术基础，并成为全球首个储能系统全面的安全评估标准。安全性是储能系统最重要的评估指标，包括电气安全、电池安全、功能安全、运输安全、电磁兼容、环保和并网界面保护等。

德国莱因认为随着补贴政策的完善及成本的下降，2020年有望成为储能大量商业化的元年。未来储能电池及系统成本一旦降低，再生能源与传统石化能源将有机会实现平价竞争。

迎接储能商机爆发，台湾产官学研界日前成立「台湾储能系统产业推动联盟」，参与成员包括工研院、台电综合研究所、台经院、台大、清大等学研机构，以及台达电、大同、中油、康舒、亚力电机、中兴电工、协同能源等20多家厂商。

整体而言，台湾以锂电子电池产业为主体的储能系统供应链堪称完整，不过仍需强化部分关键电子元件及材料的掌握度，此联盟的成立目的就是为了整合相关供应链，进而提升台湾储能产业的竞争，全面做好进入全球储能市场的准备。