從2019 ESNA看非典型儲能技術的應用

 

刊登日期:2020/3/18
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林浩東、楊昌中/工研院綠能所
 
2019北美儲能研討會與展覽(Energy Storage North America; ESNA)係由杜塞爾多夫(Messe Düsseldorf)展覽集團所主辦,2019年11月5~7日為期三天,於美國加州聖地牙哥會議中心舉行。不僅在規模上擴大,而且是北美最大電池儲能展覽與技術研討會,討論北美電池儲能政策、技術和市場領導者的想法,除了展覽與研討會之外,主辦單位同時還安排了實地參訪。大會有來自30個國家,100多家參展廠商及超過2,500位專家共同參與,是最有影響力的電池儲能展覽會之一。
 
展場上佈展的儲能電池技術主要以鋰離子電池、液流電池與鈉硫電池為主。在鋰離子電池方面,以磷酸鋰鐵作為正極材料的電池為主軸,展示的公司有Powin Energy、Energyport、Leoch Battery Corporation等。液流電池技術方面的參展公司有XRG、SUMITOMO ELECTRIC、GRIDSTAR® FLOW ENERGY STORAGE SYSTEM、ESS INC.等,而鈉硫電池則有NGK、BASF等。不過,具較高容量正極材料的NMC(鎳錳鈷)或NCA(鎳鈷鋁)的鋰離子電池在會場上並没有被特別展示。可能與鋰電池儲能系統在美國或韓國發生多起的燃燒爆炸意外有特別的關連性,安全性問題是目前高容量鋰電池持續發展必須要克服的重要課題。
 
業者安裝偵測裝置(如LI-ION TAMER、MOBITRON-Cargolog®),從偵測到的電解液漏液、溫度變化、氣體種類是否有異常可提早因應,並防止熱爆走(Thermal Run Away)的狀況進一步發生。此外,也有熱管理的專門業者安裝冷卻裝置(如VIKING COLD SOLUTION、HOTSTART)在儲能櫃上,控制電池的溫度不致於過高。除了可以延長電池的壽命外,同時也可以防止電解液、正極材料因高溫分解的熱失控現象。
 
除了在鋰離子電池系統上安裝相關防護裝置之外,研究人員同時也思索鋰離子電池系統以外其他安全的替代技術。一般習知典型的是釩液流電池與鈉硫電池儲能系統,兩者皆已商品化並應用在儲能場域當中。然而前者有成本過高、電容量偏低的問題;後者則因操作溫度在300℃的高溫,依然存在安全的風險。有鑑於此,非典型儲能技術包含全鐵液流電池、固態電池與鋅-基電池等儲能技術皆於會場與示範場域中展示,並且以強調安全、低成本的特性來吸引參訪者的目光。 
 
全鐵液流電池
有別於釩液流電池使用的電解液活性物質是成本較高的釩離子,全鐵液流電池採用的則是低成本的鐵離子。圖一說明全鐵液流電池系統的電解液儲存在電池外部的儲存槽中,負極的電解液儲存槽的活性物包含二價鐵離子與鐵原子( Fe2+/Fe0 )、正極儲存槽則包含三、二價鐵離子( Fe3+ /Fe2+ )。在放電時,循環幫浦將電解質由儲存槽中注入電池內,在電池正、負極發生的電化學反應分別如式(1)及式(2)所示。電池操作電壓約為1.21V,反應後的電解質再循環到電解槽中,充電時式(1)、式(2)的電化學反應方向相反。
 
              放電時負極電化學反應:
放電時負極電化學反應
              放電時正極電化學反應:
放電時正極電化學反應
 
圖一、全鐵液流電池
圖一、全鐵液流電池
 
該系統電池模組成本低廉具可靠性,與鉛酸、鈉硫、LTO、NMC鋰電池以及釩液流電池等在安全特性做比較,因其採用無毒材料且不會起火燃燒,在安全性能上有最佳的表現,如圖二所示。
 
圖二、全鐵液流電池危險程度比較
圖二、全鐵液流電池危險程度比較
 
展示的公司為ESS Inc.,該公司成立於2011年,為商業和公用事業規模的儲能應用,製造開發具低成本、長時效的 Energy Warehouse™(EW™)全鐵液流電池。其提供4小時以上可彈性應用的電容量( Energy Capacity ) 和20年以上的使用壽命,且具過程中無容量衰減的特色。 EW™利用地球上蘊藏豐富的鐵、鹽和水作為電解質,並以最低的每千瓦時平均儲能成本,為全球可再生能源基礎設施提供了環保安全、長壽命的儲能提供解決方案。
 
ESS Inc. 於2019年5月14日宣布將長期建置Energy Warehouse™( EW™ ),50 kW / 400 kWh液流電池系統在---以上為部分節錄資料,完整內容請點選下方檔案瀏覽。

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