World Smart Energy Week 2013東京現場直擊系列報導一

刊登日期:2013/2/28
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孫文檠/呂學隆/蔡麗端/黃裕豪/曾寶貞東京報導

2月的東京很”綠色”!不是因為春天提早報到,而是因為結合智慧、再生能源,圍繞綠色環保話題的World Smart Energy Week 2013於今晨(2/27)在尚帶寒意的東京Big Sight國際展覽會場熱鬧烘烘登場了。這場由日本最大專業辦展公司Reed Exhibitions公司所主辦的國際能源盛事將從2/27日起一連三天,以展會提供業界相互交流、洽商的平台;以講座和技術研討會提供最新的國際發展趨勢與技術新知。材料世界網/工業材料雜誌編輯群將依往例,在現場為您提供最即時的第一手現場報導。關心太陽光電、二次電池、儲能與燃料電池等能源議題的朋友,敬請鎖定材料世界網的電子報和工業材料雜誌的特別報導。

Reed Exhibitions公司石積社長在開幕剪綵致詞時表示,World Smart Energy Week已是全世界最大級的能源展會。今年共有來自全球30個國家的1,890家廠商參展,利用此展會平台展示最先進的能源技術與產品,並預計將吸引超過12.5萬人次的看展人潮入場參觀,其中有13,000名係來自海外。另外,超過2,000名的技術、採購經理人將會到場進行洽商和採購,預計商談金額將超過1,800億日幣。這場結合太陽光電、二次電池、氫能、燃料電池、Smart Grid、Eco House和風力發電等八大展會的World Smart Energy Week,無疑已成為2013能源界最重要的年度盛事,而其創造的商機和話題料將持續帶來高潮與回響。


圖一、2013 World Smart Energy Week 2/27在東京盛大開幕

日本安倍總理原擬出席此項開幕儀式,可惜因另有外交行程而不得不缺席。不過,人雖未到,卻送來電文預祝展會成功。主辦單位並在現場宣讀了總理大人的賀電。剪綵貴賓涵蓋產官學研各界領袖,可謂冠蓋雲集。昱晶能源的潘文輝總經理則是來自台灣的剪綵貴賓之一。

第 6 屆國際太陽光電展(PV-EXPO 2013)現場巡禮
今年第6屆國際太陽電池展(PV-EXPO 2013)的主要參展廠商,在日本方面,重量級的廠商包括Panasonic、Sharp、Kyocera及Mitsubishi等,在現場都設有壯觀的攤位。韓國的大廠則有Samsung、LG及Hyundai等參展。另外,中國大陸的參展廠商包含江西賽維、尚德、英利及天合等大廠。而在台灣廠商方面,雖然2012年整體PV市場市況不佳,但是如茂迪、昱晶、旺能、益通、友達、碩禾及頂晶等大廠皆來參加展會,顯見今年的PV市場頗值得期待。而本次太陽電池展的展出重點包含矽晶太陽電池/模組、薄膜太陽電池/模組(a-Si、CIGS及DSSC等)以及建材一體設計等,各家業者皆盡可能的展示該公司之特色展品。

例如,國內擁有40年歷史的有機染料大廠永光化學公司即在PV EXPO現場展出該公司的研發成果。根據該公司研發中心尹大中主任表示:永光公司主要展出染料敏化太陽能電池相關的一些化學材料,包括二氧化鈦漿料、染料、電解質、白金漿料等太陽電池關鍵材料。染料敏化太陽電池屬於發展中的第三代太陽電池,和矽晶等不同,從概念的產生到產品問世才短短不到20年的歷史,永光希望透過此展會讓該公司的商品更廣為周知,擴大市場並與日本各界建立良好的合作機制。

據云,今年已是永光化學第4次參加此項展覽,尹主任十分肯定展會的參展效益。該公司藉由此展與客戶進行面對面的溝通,往後永光化學仍會持續善用此平台,讓行銷推廣工作進行得更順利。


圖二、永光公司展出的DSSC材料


 圖三、DSSC可透過色彩調配,製作出不同顏色的電池模組,除了功能性之外,更方便設計,兼具美觀效果


圖四、永光公司與造能科技公司合作製作的不同尺寸充電板,可方便應用在行動裝置的充電上

雖然近兩年受到全球景氣影響,各國太陽光電補助急速萎縮,嚴重影響PV產業發展,但在此次太陽電池展中,可以發現仍有許多業者在技術領域有重大突破。其中在矽晶電池方面,日本Panasonic無論在研討會或是在展場上,都是最受矚目的業者之一。Panasonic承襲Sanyo過去之研發技術,本次發表突破 HIT(Hetero-junction Intrinsic Solar Cell)結構太陽電池轉換效率世界紀錄,面積四吋見方、矽晶片厚度98μm,其轉換效率為24.7%,其中開路電壓(Voc)以及填充因子(fill factor),皆為矽晶太陽電池之世界紀錄。而另一家日本Kaneka公司,亦發表面積六吋見方,轉換效率為23.5%之HIT結構太陽電池,與Panasonic公司最大差異在於Kaneka公司正面電極使用銅電極,取代傳統矽晶太陽電池正面的銀電極,成本因此降低許多。


圖五、日本Panasonic展出HIT結構世界紀錄之太陽電池

日本Sharp公司在本次展覽有三項重要產品展出。其中InGaP/GaAs/InGaAs三接面複合型太陽電池為2012年12月所發表,轉換效率達37.7%,寫下世界紀錄的太陽電池。另外,Sharp在染料敏化太陽電池(Dye-sensitized Solar Cells)方面也有重大突破,現場展示本月初甫發表之高耐久性、轉換效率世界紀錄11.9%的太陽電池。第三項產品為交指狀背接觸(Interdigitated back contact,IBC)結構結合HIT結構之太陽電池,轉換效率為22.3%,亦在同業領先。


圖六、Sharp公司展示聚光型太陽電池

近幾年太陽電池每瓦售價如溜滑梯式崩跌,整個產業鏈業者受到嚴重影響,面臨極大降低成本的壓力,其中原材料包含矽晶圓、封裝材及化學材料等都跟著降價,唯有太陽電池用銀電極材料價格始終居高不下,甚至數度攀上歷史新高。因此,近幾次幾個重要國際會議都有銀電極取代的研究發表,而本次太陽光電展即有幾個研究團隊已有銅電極之高效率矽晶太陽電池之驗證成果。除了上述的Kaneka公司外,還有比利時IMEC發表i-PERC(industry-passivated emitter rear contact )結構太陽電池,最高轉換效率20.6%。另外,日本東北大學也有銅膠的產品展示。

美國Sunpower公司則展示量產世界紀錄IBC結構太陽電池模組,其模組轉換效率為20.1%,此產品的最大特色為受光面無任何金屬電極。Sunpower公司另展示IBC正背面太陽電池結構,如圖七所示。


圖七、IBC結構太陽電池背面結構設計以及模組展示

儲能設備(Energy Storage System,ESS)展場現況
對於全球二次電池產業來說,開年的重要活動之一,就是這場從2/27至3/1在東京舉辦之國際二次電池展。展會除了已成為觀察產業今年景氣發展的風向球以外,也是各產業重要廠商齊聚一堂,藉此一展會期間會面討論本年度供應鏈與各項合作的重要機會,因此已成為國際產業廠商年度重點參與的活動。


圖八、ENAX在會場展出之「PBAC2800」蓄電系統

以今年的參展廠商來說,由材料製造前趨物、電池材料、電池芯到下游組裝,乃至於製造設備、測試設備等,均有眾多廠商參與展出,以下將先藉由應用市場的展出特點,特別是儲能用設備(Energy Storage System,ESS)的展場現況簡要呈現。

日本自2011年震災後衍生的儲能設備應用市場,在近年已經成為包括台灣廠商在內的布局重點,包括日本與韓國廠商都陸續推出針對家用儲能應用產品。如以委託台灣廠商昇陽國際半導體生產圓筒型磷酸鋰鐵電池的日本廠商ENAX為例,在會場就展出其通過日本經產省補助認定之「PBAC2800」蓄電系統,訴求在突發停電與災害發生時的應對。除了標榜取得認證的產品安全性以外,也提供一年內產品保固與6年期的定期檢查服務。值得注意的是ENAX提供終端顧客申請補助金的代辦手續以及在補助金正式撥款前的優惠小額貸款,讓終端顧客減輕一次付出大筆費用採購的壓力。

對於2012年度在日本當地銷售名列前茅的另一日商EDISON POWER來說,同樣在會場展出針對定置型應用的各項儲能產品,包括產業以及公共設施用的儲能系統。針對家用型市場推出的家用型UPS裝置,在會場廠商主要強調產品可與家中的太陽能連結充電,以及即時監控電池保護裝置與防過度放電的設計,似乎在強調安全性上有所發揮。


圖九、EDISON POWER在會場展出之「EP-1002」蓄電系統

日本京濱蓄電池工業則是在會場上打出業界最低價格系統產品,標榜在通過自家發電設備導入費用補助措施的測試品質下,系統產品每kWh單價上僅售10萬日圓之水準,相較於日系廠商價格區間約落在25~65萬元/kWh的平均水準上,確實具備一定的話題性。


圖十、日本京濱蓄電池工業會場一角

中國大陸廠商比亞迪(BYD)歷年均參與此一展會,在展會上核心區域展出行動電源相關產品,主要的內部電池芯使用圓筒型「18650」類型電池,在討論過程當中,廠商認為行動電源市場要求低價、美觀的電池產品,因此選擇使用體積能量密度相對較高、單價上最低的18650技術,並且利用簡約亮眼的外觀與鮮明色調吸引消費者購買,在深圳與華南地區有上看千萬組的年銷售成績。


圖十一、BYD展出之行動電源設計產品

至於在其儲能用設備上,展場內BYD展出多款產品,包括銷售到日本市場的「MEPS-1000I」型,以及緊急備援用EPS系統的「EPS-3000」型,其中「EPS-3000」型產品具備7.2kWh電容量,最大功率輸出3000Wh。


圖十二、BYD展出之EPS系列設計產品

在韓系廠商部分,包括Samsung SDI、LG化學、NEXCON等廠商均有相關儲能產品展出,其中NEXCON作為韓國少數投入電池模組與系統的ODM服務廠商,設計2.2kWh之家用儲能櫃展出,體積上僅有269x330x424mm,會場上給人十分輕便的形象。根據廠商討論也提到韓國同樣有用電費用高昂、用電尖離峰電價差距較大的問題,因此韓國政府也從2012年參考日本經驗進行儲能設備的獎勵補助計畫,以及建構相對應的產品測試標準等,並陸續於2013年實施當中。


圖十三、NEXSON展出之家用儲能產品

定置型儲能裝置在日本市場上,由於受到政府補助力道刺激之故,由2012年開始即成為會場內廠商展出重點之一,因而在會場內可看到眾多的家用儲能產品,以2012年日本全國家用儲能產品成功申請補助的數量約在4千台左右之市場規模來看,可以說仍然處於發展初期,但與去年展出之產品相較,今年廠商已經將產品功能進一步擴充到連結家中各項再生能源、電器電子產品等功能,以及內建即時監控、掌握電池與系統運作狀況來提高穩定性的作法,可說產品成熟度已有逐步提升。未來產業廠商除可進一步觀察日本市場本身的成長方向外,另可注意韓國對於儲能設備的補助與應用特性,以及兩國家用儲能市場需求特性對電池與材料技術的未來影響。

燃料電池前景不容小覷
在國際氫能與燃料電池展覽方面,除了日本各大燃料電池技術領導廠商,如Toyota、Nissan、Honda、Tokyo Gas、Toshiba Fuel及Eneos等公司都參與展出外,德國、美國、法國、加拿大、芬蘭及台灣等氫能與燃料電池研發之技術大國,也都組成聯盟方式,共同展出相關之研發成果。而韓國雖然未以國家展示館方式共同展出,但仍有多家質子交換膜燃料電池材料公司及固態氧化物電池模組公司參展,顯示韓國在氫氣質子交換膜(Proton exchange Fuel cel,PEFC)及固態氧化物燃料電池(Solid oxide Fuel Cell,SOFC)方面的研發實力實不容小覷。

本屆日本燃料電池展覽會展覽主題除了延續過去多年來在住宅型(家用)燃料電池之應用(Ene-Farm)及車用燃料電池技術外,展覽會上固態氧化物燃料電池系統、模組及材料相關技術展示比例較2012年增加許多,而氫氣製造、儲存及純化之相關技術亦為本屆展覽會之重點主題之一。根據日本NEDO新能源技術部之燃料電池與氫能技術主任研究員Kenji Horiuchi在公開演說中表示,NEDO 2012年合計投入103億2,400萬元於氫能、燃料電池及燃料電池車之相關議題研發(如表一),顯示日本政府將氫能與燃料電池列為日本未來重要之新能源技術之一。

表一、NEDO於燃料電池相關計畫投入說明     
單位:百萬日圓

 

而日本經產省(METI)持續投入住宅型燃料電池(Ene-Farm)之商業化補助,2012年新安裝Ene-Farm 之家庭雖然較2011年(受311東北大地震及福島輻射外洩缺電影響,安裝數達17,995部)略為減少,但仍有14,477戶家庭新安裝Ene-Farm。而Ene-Farm安裝數自2009.4.1正式將住宅用之 PEFC商業化量產後,截至2012.12止,Ene-Farm之安裝數已達42,487戶,此結果足以顯示住宅用PEFC已逐步站穩腳步,與再生能源(如PV)及儲能電結合應用,可使每個家庭達到電力自主之需求。

ENE-FARM目前分為兩種不同型式:一為PEFC,另一者為SOFC。以PEFC 而言,在2004-2008為示範運行,2009.4.正式商業化販售,因此技術較為成熟,產電效率已達37%~40%(LHV)。加上熱回收效率,Toshiba宣稱其為世界最高效率之CHP(熱電共生發電機)效率已達94%;Panasonic效率亦達90%(如表二)。另一型SOFC之示範運行研究為2007~2010,JX在2011.10.27已正式推出SOFC ENE-FARM,發電效率達45%(LHV),加上熱回收之總效率為87%(LHV)。而隨後2012.4. 27 Osaka Gas/Aisin/Kyocer亦推出以天然氣為燃料之ENE-FARM,發電效率達45%(LHV),加上熱回收之總效率為87%(LHV),發電效率達46.5%(LHV),加上熱回收之總效率為90%(LHV) (如表三所示)。

表二、PEFC ENE-FARM之比較

表三、SOFC ENE-FARM之比較 

在商業化推動上,METI於2009年每部ENE-FARM之補助款為140萬日圓(共補助5,030 部), 2010年補助款為130萬日圓/部(補助4,985部),推動初期雖然有政府補助加持,但因為建置成本高,使得日本家庭望之卻步,ENE-FARM安裝數不如預期規劃。而2011年歷經了311東北大地震及福島核電輻射外洩問題,日本陷入空前未見之限電危機中,使得2011年雖然補助款僅85~105萬日圓,ENE-FARM裝機數仍達17,995部,而 2012年原編列之補助預算為補助70萬/部,預計補助12,300部,最終又追加補助2,177部,每部補助金額為50萬元,總計補助安裝數達14,477部。

未來PEFC ENE-FARM與ENE-FARM住宅用燃料電池之競爭,將會愈來愈激烈,兩者誰會勝出或是共存呢?此將視兩者之性能、成本及耐久性而定,當然使用端之使用環境亦是一個重要的參考因素。但不管何種勝出,日本已展現出在燃料電池領域之能量與潛力,其在能源領域的規劃力與執行力,並秉持著一貫的堅持與努力的精神,是值得各國學習的。

從專門技術研討會看電池材料趨勢
二次電池第一場研討會由日本TOTTORI大學Hiroki教授的負極材料開始,說明未來電動車用電池性能需求為: 1.高電容量的正負極材料(提高行駛里程) ,2.電解液的難燃性(提高電池的安全性)。而現有的石墨材料理論電容量372 mAh/g,次世代的負極材料以理論電容量3600 mAh/g的鋰矽合金被寄予厚望。內容舉例說明矽粉表面塗覆奈米銀將有助於提升電性。並以市售的奈米矽粉及3D大孔隙度的矽粉與3D大孔隙度的矽粉表面塗覆奈米銀三種材料做循環壽命比較,結果以3D大孔隙度的矽粉表面塗覆奈米銀的性能明顯優於其它兩種材料。但也由於矽合金的體積變化400%,導致充放電過程因應力作用而碎裂,使得內阻增加,而影響鋰離子擴散,造成電性快速衰退。Hiroki教授介紹以機械合金化再以氣體沈積法合成,在矽表面塗覆一層金屬材料來改善矽合金材料的特性。導入離子液體應用於矽電極材料亦有別於傳統電解液,能展現材料的效能。      


圖十四、矽表面塗覆不同金屬薄膜的循環壽命電性比較


圖十五、矽材料在有機電解液及離子液體的崩壞機制

TODA 公司的Hideaki先生介紹下世代正極材料,由成本與性能比較中指出鋰錳材料(LMO)是最受歡迎。鋰鎳錳(LNM)及過量鋰材料(LMNC)次之。若由能量密度、功率、成本、安全性、壽命及產氣量評估,以鋰鎳鈷錳氧(LNCM)三元正極材料效能最平均。


圖十六、不同正極材料效能比較

鋰錳材料(LMO)價格低是其優勢。LNCA及Ni-rich LNCM在提昇能量密度上具重要角色。鋰鎳錳(LNM)及過量鋰材料(LMNC)的高電位特性被視為是下世代的正極材料。


圖十七、不同正極材料能量密度比較

鋰鎳錳(LNM)有別於以往的石墨負極材料,結合鋰鈦氧(LTO)負極材料,在全電池循環壽命上有明顯優異表現。


圖十八、不同負極與鋰鎳錳正極材料電性比較

Sumitomo-Osaka 公司的Mitsumasa先生介紹磷酸鋰鐵正極材料,此材料的安全性與熱穩定性佳。理論電容量170 mAh/g,實際電容量大於155 mAh/g。因晶體結構穩定循環壽命長,材料資源相對豐富。相較於鋰鈷及鋰錳氧化物,磷酸鋰鐵的穩定工作電位平台優於兩者。但較低的電位亦是其美中不足的地方。


圖十九、不同正極電池為平台特性比較

從結構分析材料穩定性、安全性、離子擴散速率及電子導電性,各有其特性。


圖廿、不同正極結構特性比較

從DSC分析觀察磷酸鋰鐵正極材料明顯的低放熱特性。


圖廿一、不同正極放熱特性比較

磷酸鋰鐵正極材料待解決的問題有三點:1. 離子導電性低:需以合成較大的材料顆粒克服。2. 電子導電性差:需以碳塗覆在材料表面或內部來改善。 3. 實密度偏低:需提高電極板密度或降低極板厚度。

匯聚新產品、新觀點、新技術的World Smart Energy Week 2013正在企圖成為全球能源中心的日本東京展出,更多相關現場實況將在材料世界網陸續刊出,敬請持續關注。---以上是材料世界網/工業材料雜誌編輯群:孫文檠/呂學隆/蔡麗端/黃裕豪/曾寶貞來自東京World Smart Energy Week 2013現場的Live 報導。

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