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智慧綠建築
Intelligent Green Building
     
  台電「綠能智慧屋」,探索環保儲能新路徑  
     
     
  隨著再生能源的持續推廣,以及相關發電技術的革新,綠電的供電占比逐步提高,將是未來可以預期的趨勢。  
     
  撰文:王奕超  
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雖然綠電與市電併網並不困難,只要調整電壓,將直流電改為交流電就能併聯,但由於像太陽光電、風力發電這些再生能源依賴的是天候因素,因此供電實際上並不穩定,當其供電占比小的時候,並不會對於電網造成多大影響,可是當它占比提高到一定的程度時,它的供電不穩定性,就有可能造成電網的波動。要解決這樣的問題,除了有賴智慧型電網的設置,強大的儲能系統的建立也是一種方案。就像是一個社區或住戶,如果擁有能儲存極大容量的水塔,那碰到自來水供應不穩定的情形,自然比較不會受到影響,而儲能系統就宛如水塔,當擁有性能強大的儲能系統,電網的波動也比較不會對其造成干擾。另一方面,如果儲能系統能與電網搭配,也能幫助供電的穩定。有鑑於此,台灣電力公司綜合研究所在2012年開始啟動「綠能智慧屋」的試驗計畫,積極研發因應綠能時代的儲能系統。本期我們就帶各位讀者造訪台電綜合研究所樹林所區,拜訪主持「綠能智慧屋」試驗計畫的化學與環境研究室資深研究專員吳成有博士,請他帶我們去見證該計畫的成果與努力。

投資未來的實驗點
走進位於台電綜合研究所樹林所區的「綠能智慧屋」試驗案場,撲面而來的是養殖微藻的桶狀器皿,以及一座小型的植物工廠,沿著步道往內走,迎來的是一間佈置有植生牆和太陽能板屋頂的屋體,以及一旁的小型風力發電機和太陽能板。每天,正是這些太陽能板和風力機在陽光與風的加持下發電,然後透過儲能系統將電力存於屋內的蓄電池,並供給至案場內的各用電設備。當這些綠能在供電上不穩定時,該儲能系統能夠讓蓄電池的備援電力自動補上支援。至於晚上,太陽能匱乏的時段,則會引導市電進來支援,並幫忙補充蓄電池的能量,以讓次日的電力運作能夠無縫銜接。



問及「綠能智慧屋」的緣起,為我們導覽案場、同時也是該試驗計畫主持者的吳成有博士表示,為了因應間歇性再生能源發電占比逐步成長的趨勢,台電綜合研究所最終期望能開發服務於電網、大型的儲能系統,但是大型系統的研發動輒上億,成本很高,因此在初期便把規模縮小至家戶的場域,期望先從家戶的規模、家庭的情境開始試驗,從小案場去累積數據、了解問題,並在這一階段裡搭配一些智慧家庭的控管系統,如環控系統、能源管理系統與智慧家電,以期實驗出各種智慧化的運作模式。

由於現今綠能發電、新型態能源管理模式正熱,在台灣並不乏這一類的試驗場域,尤其是開發儲能系統的更是大有人在,不免讓人好奇台電綜合研究所的「綠能智慧屋」的優勢或特殊之處。對此,吳成有強調,「綠能智慧屋」不同於許多試驗場是因為某種短期的專案計畫而執行,他們是將「綠能智慧屋」當作長期投資,從2012年開始至今,甚至到長遠的未來都會一直試驗下去,最重要的是長期累積試驗數據,這些數據所構成的數據庫將成為台灣未來在綠能管理的相關系統研發、建置上的重要資源。另外,「綠能智慧屋」還有一大特點,就是非常積極的去嘗試、落實「資源化利用」。



落實「資源化利用」
所謂的「資源化利用」,是指將廢棄物、剩餘物直接作為原料進行利用或進行再生利用的作法。吳成有說,他們在推動「綠能智慧屋」的過程中,就把台電發電時會產出的煤灰、油灰、二氧化碳拿來利用。

以煤灰為例,它是在燃煤的過程中產生的,比較輕的會隨著煙氣朝煙囪的方向排放,為了避免它造成空氣的汙染,排放之前台電會用靜電集塵的方式收集,所收集的物質稱為飛灰,簡單來說,就是帶有微量電荷的粉塵粒子,受到外加電場的作用,被吸引至電極板而捕集。由於捕集下來的飛灰跟水泥很相近,在鋪設「綠能智慧屋」案場步道時,台電綜合研究所就把飛灰取代水泥,讓它做結合混凝土的鋪料,甚至結合陶土做成可擺設於室內的藝術品或杯具等瓷器。



另外,他們還將其與塑膠一比一去混合,做成塑木,計畫以後可當作環保建材使用,既可以用於木棧道、涼亭、樑柱的搭建,進一步還希望將太陽能板嵌入,預留孔洞讓電線走,形成可以輕易組裝的新型態太陽能板建材模組,以取代當前在屋頂架設太陽能板需要先蓋鋼架的繁複工法。至於在燃燒的過程中,重量比較重的灰燼會收集於鍋爐底部,稱之為底灰,是一種多孔性材料。這個多孔性材料在「綠能智慧屋」的案場裡,則取代砂石被用於作為鋪設海綿步道所使用的「JW生態工法」註的保水層材料,以及做成透水性強的植草磚鋪設,或雨水收集器的過濾材,甚至因為它帶鹼性,還與飛灰一同被當作酸化土質改良的應用。

而「資源化利用」的另一個重點-二氧化碳,它占火力發電廠所排放出的煙氣濃度大概10到15%,由於是溫室效應的主要成因,因此過多的二氧化碳對於人們也是一個困擾,然而對於植物和藻類來說,卻需要二氧化碳行光合作用,因此在「綠能智慧屋」的案場就特別培養微藻和栽種植物,透過藻類培養桶作為生物固碳光合反應器,將二氧化碳調降至適宜植物的程度,再由植物轉化吸收,藉由這樣的機制來調節空氣中的二氧化碳濃度,並善用二氧化碳的價值促進藻類與植物生長,也能為環境增添綠意。

至於油灰的部分,其「資源化利用」則是落實於儲能系統的蓄電池上。吳成有指出,「綠能智慧屋」的儲能系統所採用的蓄電池,不同於常見的鋰電池、鉛酸電池,而是採用有釩電池之稱的,全釩氧化還原液流電池(Vanadium Redox. Flow Battery,VRFB),台電綜合研究所正嚐試從燃油電廠所產生的煤灰,開發處理程序來回收釩,而廣泛應用於火力發電廠處理氮氧化物所採行的選擇性催化還原法(SCR )所使用的觸媒也是釩的另一種來源,因此可以充分進行「資源化利用」。



高效、便利、長壽的蓄電池
除了有「資源化利用」的潛在效益,一般的蓄電池具有能夠瞬間充電、快速放電,同時電力損耗低、容量擴充便利的特點,由於釩電池的構造是一種由電池堆加上電解液儲存桶所組成的蓄電池,就如同汽車中的引擎與油箱一般,想要擴充容量只需把電解液儲槽加大、增多即可,想要提昇馬力加個引擎就好,更重要的是,釩電池還具有壽命長,精確的殘餘電量容易量測的絕佳優勢,這也是台電綜合研究所選擇它作為儲能電池的重要考量。

吳成有指出,以電池充電充飽到放電放完這樣的一個過程來說,鉛酸電池目前只有600到1000次的壽命,也就是說大約2年左右就必須汰換,至於鋰電池雖然聲稱可以達3000次,但尚無實測數據,且成本亦屬昂貴,幾年後仍需面臨更換的命運。因為這些電池是屬於固態電池,固態電池是將電存在電極板中的活性物質上,充放電的過程會經歷物質轉換,使得電極板中的活性物質必須面臨不斷膨脹與收縮過程,很容易導致物質性能衰減或剝落,從而使得容量遞減,最終無法使用。相較之下,釩電池因為是液流電池,是利用電解液裡面的釩離子價數變化來儲電,也就是說,只是離子所攜帶電荷量的轉變,並沒有物質的變化,因此不會有物質衰減、容量遞減的問題,適合長期使用。

待克服的缺陷
不過,吳成有也坦言,能量密度低是釩電池的一大缺點,以同樣體積來說,能夠儲存的電量比起鋰電池、鉛酸電池都還要低,因此要儲存同樣的電能,往往需要比鋰電池、鉛酸電還要大數倍甚至數10倍的體積或重量。所以,如果需要儲存大量的電力的釩電池,勢必要一個比較大的空間安置。以「綠能智慧屋」的蓄電池來說,其體積約4個冰箱的大小,但只能儲存10度電左右的量,大約只能支持一天30%的電力。

然而,這套儲能系統最大的問題還是在於用電成本高昂。吳博士說,根據「綠能智慧屋」累積的數據去計算,以太陽能發電為例,目前一度電的發電成本大約6元左右,可是如果再加上儲能系統的成本,每度電就要將近40元。而且由於這套儲能系統的儲存容量只能支援一天30%的電力,雖然能夠透過加大蓄電池的容量來解決,不過這樣一來所占的空間和建置成本也會隨之增加。也因為系統成本和所占空間高的問題,現階段還很難去推廣、普及於一般家庭。吳成有笑說,它當前最大的價值,還是在於為未來各種能源運用與管理的可能累積經驗、做好準備。

未來將擴大試驗範圍
前瞻未來,吳成有說,台電綜合研究所的中期計劃是希望以「綠能智慧屋」所累積的試驗數據和經驗為基礎,在樹林所區發展一個範圍較大的綠能生態園區,之後再把相關經驗移植到高雄鳳山的員工宿舍區去做實際的「智慧綠社區」規劃,預估2020年完成相關設置。如果這個「智慧綠社區」的模式能夠成功,將來更期望能推廣也可以直接應用到離島,由於離島依賴的是柴油發電的獨立電網,不像台灣有大型電廠的支援,對於儲能系統將會有比較高的需求,並且也更能檢驗系統的性能。等到通過離島場域的驗證,吳成有相信,那就會是這套系統廣泛應用的時候了。
 
     
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