Smart Energy Week 2019 日本現場報導系列三

 

刊登日期:2019/3/6
  • 字級

王文獻、蔡麗端、陳錦城、曾寶貞/工研院材化所
 
資源RECYCLE EXPO初登場
資源RECYCLE EXPO是匯聚太陽能面板、蓄電池等與再生能源相關的資源回收技術與服務於一堂的展示會,新展會的啟航讓Smart Energy Week展會從再生能源導入到再利用連成一氣,更加提昇展會的多元性與完整性。
 
隨著各國加速推動EV的生產,使用後的車載用電池的回收及再利用已成為備受矚目的議題。多數的車用電池在使用7~10年之後會面臨要更換的問題,而換下的電池仍可做為基準較低的定置型蓄電池再使用,針對這些汰換電池的有效再利用,必須建構更佳的性能評估環境。另外,車載用電池代表的鋰離子電池中含有鈷、鎳等稀有金屬以及銅、鋁等金屬,如何更有效率的回收資源並建立回收網乃成當務之急。初登場的資源RECYCLE展會除了關注廢電池的回收再利用之外,針對太陽電池面板的回收動向、玻璃再資源化等議題在基調演講及技術研討會中均做了相關探討。
 
根據日本官方預估,以20年的模組壽命估算,從2030年開始便會有廢棄模組出現,而到2038年更將達到80萬噸的規模,如圖一所示。
 
圖一、日本官方預估(以20年的模組壽命)廢棄模組產出預測
圖一、日本官方預估(以20年的模組壽命)廢棄模組產出預測
 
從此次的展示會來看,具PV廢棄回收處理能力的公司主要有三家,主要的處理仍以回收玻璃及貴金屬銀為主,但是回收的玻璃經過精練後仍只能作為次級的應用去化。
 
PV TECHNO RECYCLE CO.
PV TECHNO RECYCLE公司以NPC的自動化設備進行JBOX拆解及鋁框無破損解離,同時也保持玻璃無破損,以利後續熱刀解膠取出完整的玻璃板。從PV TECHNO的展示場可看到拆解後的實體玻璃,確實是沒有破損,但是從外觀看卻有許多殘膠導致不透明。(圖二)
 
圖二、PV TECHNO RECYCLE CO.,的廢模組拆解後部品分類
圖二、PV TECHNO RECYCLE CO.,的廢模組拆解後部品分類
 
廢玻璃回收事業協同組合(經產省認可)
廢PV光電板經過人工拆解鋁框後,進行玻璃破碎取出電池板廢料,玻璃可以經過再精煉而得到較純的玻璃顆粒。矽晶含貴金屬的廢料可販賣給金屬鑄煉廠進行銀的提純,而背板廢棄物則可作為水泥廠助燃劑使用。(圖三)
 
圖三、廢玻璃回收事業協同組合的模組分離後部品外觀
圖三、廢玻璃回收事業協同組合的模組分離後部品外觀
 
Toshiba 環境工程
Toshiba與PV TECHNO 公司一樣採用熱解膠的方式進行玻璃與封裝膠的分離,但是展場展示再利用的玻璃卻很透明乾淨,從現場的操作介紹影片可看出,Toshiba的玻璃拆解製程較佳。(圖四~五)
 
圖四、Toshiba 環境工程的模組部品分離及玻璃再利用展示
圖四、Toshiba 環境工程的模組部品分離及玻璃再利用展示
 
圖五、Toshiba 環境工程的設備熱解膠分離玻璃流程
圖五、Toshiba 環境工程的設備熱解膠分離玻璃流程
 
日本2019風能展
Vestas 在研討會上介紹最新技術
Vestas公司於展會第三天的研討會上介紹了該公司最新相關技術與產量最高機種之一的V150-4.2MW風力機。該風機適用全球,葉尖高度設計達200米,Vestas產品策略副總裁Thomas Korzeniewski表示,目前接受六個國家的訂單,分別為美國、德國、巴西、澳洲、瑞典及芬蘭,預計2019年首先交付一半。研討會中介紹新型多葉片設計的風力機,如圖六所示,擺脫在過去幾十年中傳統三葉片的設計,從成本考量應可大為降低。Vestas同時也展示為低風力風場設計的一種新塔架,採用橋樑建築的概念來增加風力機結構安全,如圖七所示。
 
圖六、Vestas研討會中介紹新型多葉片設計風力機
圖六、Vestas研討會中介紹新型多葉片設計風力機
 
圖七、Vestas展示為低風力風場的一種新塔架設計
圖七、Vestas展示為低風力風場的一種新塔架設計
 
福島海上風電集團 展現7MW浮動式風力機
目前日本共有兩個地方進行浮動式離岸風電試驗;一處為福島外海,另一處則在長崎縣福江島外海。福島外海總共建置有三座浮動式海上風力電機組及1座海上變電站設施,三座浮動式海上風力發電機分別由日立製造所及三菱重工製造,裝置容量分別為2MW及5MW,如圖八所示。日本福島浮動式海上風電發電示範計畫,主要是針對浮動式海上機組的安全性、可靠度及經濟性等進行檢測,經過測試發現,2MW的浮動式海上機組應具備相當可靠度,該機組初步符合商業需求。5MW的浮動式海上風力機組導入創新深水浮筒設計,浮筒雖然具有降低浮體搖擺的幅度設計,但5MW的機組設備利用率反而較低,其海纜亦採用創新浮體設計,如圖九所示。而7MW的示範機組集團也正在評估風力機的安全性、可靠性和經濟效率,並已獲得7MW浮式風力機示範計畫的各種測試數據,雖然顯示系統在設計上仍需改進,後續還計劃如何進行商業化。
 
圖八、福島海上浮動式5MW風力機模型
圖八、福島海上浮動式5MW風力機模型
 
圖九、福島海上浮動式風力機海纜創新設計
圖九、福島海上浮動式風力機海纜創新設計
 
Enercon展現風力機製造與全球市場分佈
Enercon公司是全球第四大的風力發電機製造商,從1990年代中期就是德國最大的製造風力機的公司。在本次的展覽會上,Enercon展現在德國(奧里希、埃姆登和馬格德堡)、瑞典、巴西、印度、加拿大、土耳其及葡萄牙都有生產製造點,透過影片播放及人員介紹風力機製造過程,截至2017年12月,Enercon已經安裝了26,300多部風力發電機組,發電能力超過43 GW。最常用的型號是E-40,Enercon在1993年開創了無齒輪箱設計機種,Enercon正在為其3MW平台(EP3)開發兩種新型設計。E-126 EP3和E-138 EP3分別設計用於中風力和低風力的風場,採用風力等級IIIA設計,是該平台上的第一個低風力WEC,也是未來風能項目具有吸引力的選擇。Enercon新的3.5MW EP3平台的原型已安裝在荷蘭的測試場。(圖十)
 
圖十、Enercon展現風力機製造與全球市場分佈狀況及實力
圖十、Enercon展現風力機製造與全球市場分佈狀況及實力
 
GE推出全球最大12MW風力機
GE Renewable Energy推出全球最大12MW的風力機,它比目前的型號強20%以上,是世界上最大發電量的風力機。透過Haliade-X 計畫,規劃在英國離岸再生能源整合開發中心,也將進行長達 5 年的開發與測試,期望製造出風機原型,並規劃能於 2021 年交付,且在隔年投入生產。GE計劃推出新機型5.3MW-158之陸上型風力機,採用碳纖維分段葉片,即使是陸域風力發電機,也將成為世界上最大的陸域型風力發電機。本次展覽同時與Vestas一樣透過VR虛擬實境,讓來看展的民眾能深入其境,更近一步了解全球最大風力機的外貌及構造。(圖十一)
 
圖十一、GE推出全球最大12MW風力機,並以VR虛擬實境讓民眾體驗大型風力機
圖十一、GE推出全球最大12MW風力機,並以VR虛擬實境讓民眾體驗大型風力機
 
Blade partners展現專業用於風力發電葉片的維護專家
Blade partners公司評估風力機片缺陷及其產生原因,還可以判斷究竟為製造缺陷或設計缺陷,再根據缺陷的程度,制訂修復計劃並提出最佳解決方法。本次該公司在展會中秀出實績與專業實力,如圖十二所示,可視情況,透過繩索的吊掛或使用高空作業平台修復葉片缺陷問題,並根據缺陷和損壞的程度,修理葉片、進行修補與更換工作。
 
圖十二、Blade partners展現專業用於風力發電葉片的維修工作與實績
圖十二、Blade partners展現專業用於風力發電葉片的維修工作與實績
 
LT1000 Liftra自升式起重機,無需大型起重機即可完成重建吊裝
無須大型起重機即可更換主要大型部件,自動吊掛式起重機在更換主要部件時無需使用大型移動式起重機,起重機透過風力機內部吊掛至機艙,透過起重機轉動180度並安裝在機艙內的底座上,即可進行部件吊掛作業。目前開發出的起重機對應型號可以支援包括:Gamesa 2MW平台、GE、三菱、西門子、Vestas等部分機型,特別強調無需移動式大型起重機,可減少動員人力和成本,在較高的風速下施工(陣風速度高達18 m / s),且1-2天內即可安裝基地,更換主要部件並卸載起重機其重量可達24噸重。(圖十三)
 
圖十三、LT1000 Liftra自升式起重機,無需大型起重機即可完成重建吊裝
圖十三、LT1000 Liftra自升式起重機,無需大型起重機即可完成重建吊裝
 
Kaeufer風力機葉片及塔架接近系統
Kaeufer公司為全球領先的風力機葉片接近系統製造商,已經為大型風力機葉片和塔架開發了臨時接近系統和接近技術超過25年,並在全球使用檢查、清潔和維修工作,且所有轉子葉片接近系統均通過TÜV認證。對於陸地和海上的風力發電機,該公司提供特殊的電纜懸掛式工作平台,技術人員可以安全且符合人體工程學地逐步操作,檢查和修理塔架或單支葉片,其相關實績如圖十四所示。
 
圖十四、Kaeufer創新風力機葉片及塔架接近系統,無須大型起重機即可完成重建吊掛
圖十四、Kaeufer創新風力機葉片及塔架接近系統,無須大型起重機即可完成重建吊掛
 
NSK展示創新風力機軸承設計與客製化設計
NSK是眾所皆知的軸承供應商之一,目前世界十大風力機製造商中有九家使用NSK軸承。該公司正在為環境保護作出重大貢獻,本次參展將大型風力機主軸承搬至現場展出,透過特殊主軸設計,軸承內部滾珠可以隨不同風況及扭力負載改變而變動,大幅降低軸承受風吹襲的強烈負載(圖十五),期保持架與滾珠均採用不同合金技術。通常客戶要求風力機軸承具有高可靠性,這是因為風力機的設計壽命為20年,在出現問題時維修零件並不容易,因此,必須使用先進的計算機模擬設計軸承,並對材料和熱處理有深入的了解,有時需要使用實際尺寸的軸承進行測試評估與客製化(圖十六)。展場中,NSK也同步展示自行開發的攜帶軸承故障檢測裝置,顯示預診技術的重要性,能在軸承發生故障前預先知道。
 
圖十五、NSK透過特殊主軸設計,軸承內部滾珠可以隨不同風況及扭力負載改變而變動設計
圖十五、NSK透過特殊主軸設計,軸承內部滾珠可以隨不同風況及扭力負載改變而變動設計
 
圖十六、NSK透過特殊材料表面鍍層增加耐用度
圖十六、NSK透過特殊材料表面鍍層增加耐用度
 
KGE & CKC 透過創新超音波檢測與特殊地質調查船,協助風場進行海域調查工作,以避免海上風機倒塌之風險
日本Kawasaki Geological Engineering Co., Ltd. & Chuo Kaihatsu Corporation (KGE & CKC)在風電場建立業務合作夥伴關係,協助海上風場進行地質調查工作,深海鑽孔取得的土壤樣本,會再進行一般化學、物理、力學、動力試驗,透過試驗了解深海土壤在不同狀況下的差異條件。了解地震來是否會有土壤液化的問題,以及海流反覆淘刷對風力機基礎的影響,避免海上風機倒塌。透過取得土壤的參數後,能夠提供業者風機設計基礎的防護措施建議,以確保風機在20年使用期間是安全無虞的。該公司展現創新超音波檢測技術,透過音波打到底床反射,再由海上接收音波以了解地質狀況,同時也展示 50米水深地質調查技術船與調查鑽探穩定技術,鑽探設備具備電動自我下探功能,使船身搖晃不影響鑽探器具進行。(圖十七~十八)
 
圖十七、KGE & CKC展示超音波接收感知器與高達50米水深地質調查技術
圖十七、KGE & CKC展示超音波接收感知器與高達50米水深地質調查技術
 
圖十八、KGE & CKC展示 50米水深地質調查技術船與調查鑽探穩定技術
圖十八、KGE & CKC展示 50米水深地質調查技術船與調查鑽探穩定技術
 
綜觀FC EXPO
國際氫能與燃料電池展示會(FC EXPO)是Smart Energy Week中最具歷史的展會,今年的FC EXPO除了日本大廠Toyota、Honda、Panasonic、Toshiba、Kawasaki、Iwatani、鈴木商社、新神戶製鋼等知名公司參展外,德國、加拿大、挪威、瑞典、台灣、中國及韓國等亦組團以國家館或獨立參展方式展示其研發成果及量產實力。
 
由於氫能社會之實現是2020東京奧運會日本將向世人展示的新能源成果,因此今年氫能與燃料電池展示會有三項主軸:一是使用氫氣之燃料電池車及其周邊設施技術;二是EneFarm家用燃料電池技術;第三項是與再生能源併網之電解產氫技術,再將氫氣應用於燃料電池發電或轉換成化學品技術。各項技術展示重點介紹如下。
 
燃料電池車及其周邊設施技術
在氫氣燃料電池車方面,還是以豐田汽車於2014年12月所推出之Mirai (售價723.6萬日圓) 及本田汽車於2016年3月所推出之Clarity Fuel Cell (售價766萬日圓)領銜展場,但燃料電池雙雄技術發展策略略有不同。Toyota除了燃料電池小客車外,亦積極布局燃料電池堆高機及燃料電池公車,其中2.5噸之燃料電池堆高機是使用燃料電池與超電容之混成動力系統,而燃料電池公車則使用Mirai的技術架構(g3使用114kW電池堆2座),預計東京奧運將有100部燃料電池公車投入載乘運轉,目前已有5部正式商業運轉中。Honda的展示除了Clarity Fuel Cell Vehicle之外,也展示9kW之逆變器(Inverter),在緊急狀況下能利用燃料電池車之電力輸出供給與家庭使用。Honda並將技術衍生至加氫技術的開發,SHS是一部整合on-site電解產氫、壓縮、儲氫及加氫技術之加氫機,今年新出品之SHS加壓壓力已達70MPa,可滿足燃料電池車之加氫需求,訴求簡易設置及佔地面積小之優點,將可取代昂貴的加氫站。(圖十九~廿)
 
至於眾所矚目的加氫站,至2019年1月底前已完成113座加氫站之設置,其中100座已開所運作,分別是中國北九州16 所、關西四國圈17所、北陸圈1所、北海道東北圈5所、首都圈44所及中京圈30所,預計2020年之前將完成160座加氫站之設置,將形成完整的氫能公路,以滿足2020年40,000部燃料電池車及100部燃料電池公車加氫之需求。因此今年展場加氫機、儲氫技術及產氫技術仍是技術展覽的主軸。
 
圖十九 Honda 新出品之SHS加壓壓力已達70MPa,並已開始接單
圖十九 Honda 新出品之SHS加壓壓力已達70MPa,並已開始接單
 
圖廿 、Honda以產氫、用氫、供氫為企業目標,因應需求活用氫能。右為Honda新型燃料電池車與Power Exporter
圖廿 Honda以產氫、用氫、供氫為企業目標,因應需求活用氫能。右為Honda新型燃料電池車與Power Exporter
 
EneFarm定置型熱電共生燃料電池技術
EneFarm自2009年4月正式商轉後,日本經產省逐年調降補助購置金額,2018年EneFarm補助款PEFC補助金額是6萬日圓,SOFC補助金額是12萬日圓,歷經10年的推動,截至2018年6月為止,家用0.7 kW EneFarm累計裝置量已達27萬部,EneFarm購置價格已降至70萬日圓,家用熱電共生的EneFarm已深入日本民眾的生活,購置價格也可負擔,因此經產省宣布EneFarm即將取消補助。
 
在日本311大地震後,因關東地區的缺電危機,讓與東京瓦斯合作的Panasonic EneFarm趁勢崛起,站穩定置型熱電共生龍頭地位(累計銷售量達14萬部,市場佔有率達50%),並扮演領頭羊的角色。今年Panasonic延續多年來之技術主軸,相較於2009 Gen1EreFarm,2017年Gen5 EneFarm其成本已下降至24%,使用天然氣重組產氫的Gen5 EneFarm之壽命耐久性已突破9萬小時(相當於使用12年),FC 重量亦由125公斤降至65公斤。2019 年Panasonic新型的EnFarm技術又自我挑戰突破了,其熱電共生效率已高達97%(電效率40%,熱回收效率57%),相較於2017版Gen5,重量已降至59公斤,熱水Tank亦由88公斤減重至81公斤,高度因排氣口設計改變減少100mm,排氣空間增加22公分,而寬度則由500mm縮成350mm,體積及重量皆大幅的縮減,已可方便安裝。(圖廿一)
 
Panasonic也宣布至2021年4月將正式生產使用儲氫之5kW EneFarm(熱電共生),未來可與再生能源電解產氫併聯,以滿足定置型發電之需求。  
 
圖廿一 、Panasonic的新型EnFarm體積、重量皆大幅縮減,安裝方便
圖廿一 、Panasonic的新型EnFarm體積、重量皆大幅縮減,安裝方便
 
氫能發電相關技術---與再生能源併網之電解產氫技術、儲氫與氫氣運輸技術
日本主要的能源來自進口,為了國家能源安全需求及達成COP21巴黎協定CO2減量等目標,氫能發電是日本達成能源自主及減碳之重要策略(圖廿二)。Kawasaki Heavy Industrial在神戶Port Island 人工島上建立了將氫氣導入天然氣發電(1MW)之實驗場域,並於2018年4月正式運轉,逐步導入10%、20%、40%於天然氣中發電,最終目標是開發使用100%氫氣之發電機組。在研究過程中為了解決氫氣瞬間燃燒問題,開發了H2專用噴嘴以使氫氣均勻化使用,並注入水蒸氣降低NOx之產生。為了2025年日本將大量導入氫氣發電系統,2030年需求之氫氣量將達30萬噸(2020年氫氣需求量0.4萬噸),日本現行石化副產物氫氣或再生能源併網產氫將不足因應發電需求,因此日本政府與澳洲政府簽訂氫氣供應合作,由無發電應用價值之褐煤,經由IGCC技術產生H2與CO2,其中CO2將藉由CCS技術封存於地底,而氫氣則透過運輸送回日本。為了2025年之後大量進口的氫氣,日本政府投入氫氣運輸技術,其中川崎重工將氫氣液化成液氫(-253℃,液氫體積為氫氣之1/800),並開發全球首艘之液氫船技術,將液氫運回神戶港。而千代田公司則使用觸媒將甲苯(Toluene)轉化成MCH(Methylcyclohexane,甲基環己烷,相當於體積1/500儲存),經運送回日本後,再經400℃將MCH脫附氫氣,甲苯可作為重複之氫氣載體。日本現階段氫氣售價為100日圓/Nm3,但2030年氫氣成本目標為30日圓/Nm3,屆時氫能發電成本可降至17日圓/kWh,將較現行各種燃料之發電成本為低(除了核能發電10.1日圓/kWh外),因此未來氫能發電確實可符合能源自主及減碳排潔淨能源之目標。
 
圖廿二 日本氫能基本戰略
圖廿二日本氫能基本戰略
 
2040年日本為了達成潔淨氫氣(零碳排氫氣)目標及調節再生能源不穩定電力之問題(2030年日本再生能源將佔發電比22%),因此 2014年在福島縣成立再生能源研究所(Fukushima Renewable Energy Institute, AIST;FREA),再生能源研究所除了研究太陽能發電及風力發電外,再生能源電力大多併網使用,多餘電力除了以鋰離子電子儲存外,亦透過鹼性電解產氫技術製造氫氣,並研究各種氫氣儲存技術(LH2/MCH/NH3/MgH2)及氨氣發電技術(圖廿三)。因此日本NEDO聯手再生能源研究所(FH2R)、Toshiba、Asahi Kasei及Iwatani等公司,合作在福島縣浪江町進行全球最大之Power to Gas實驗場域驗證(圖廿四)。浪江町實驗場域其電解產氫裝置額定輸入電力為6MW,產氫量可達1,200Nm3/h,最大再生能源輸入電力為10MW,產氫量達2,000Nm3/h,預計年產氫量達900噸。浪江町場域將於2019年8月開始試運轉,2020年年中正式商轉,主要是確立5萬日圓/kW之成本技術、訂立未來再生能源產氫之成本目標,及電解產氫技術(0.6A/cm2@1.8V)之目標技術驗證。因此Toshiba在今年FC EXPO之主要展示即是以H2 one(再生能源儲電、產氫、儲氫與燃料電池發電整合系統)、H2 Rex(純氫氣燃料電池熱電共生系統),及以浪江町Power to Gas 場域驗證為其技術能力展示重點。
 
圖廿三 FREA 氫能製造、利用整合實證系統
圖廿三FREA 氫能製造、利用整合實證系統
 
圖廿四、TOSHIBA的實驗場域認證介紹
圖廿四TOSHIBA的實驗場域認證介紹
 
台灣燃料電池夥伴聯盟 第9度參展FC EXPO
另外,國內台灣燃料電池夥伴聯盟今年在召集人台經院左峻德所長率領下,偕同錫力、九豪、群翌、富堡、順德、揚志等廠商以台灣館規模第九度參加FC EXPO盛會,展出業者在氫燃料電池技術方面的研發能量,同時與日本產業進行交流,汲取國際最新技術及應用發展資訊,為台日產業合作創造機會。(圖廿五)
 
台經院與工研院積極推動氫燃料電池產業,建立國際交流平台,協助我國廠商取得各國氫燃料電池產業之技術、研發等層面資訊,並扮演我國與國際產業交流之重要橋梁,期能協助我國氫能燃料電池產業跨足國際產業供應鏈。
 
圖廿五、台灣燃料電池夥伴聯盟於2019年FC EXPO的台灣館專區
圖廿五台灣燃料電池夥伴聯盟於2019年FC EXPO的台灣館專區
 
2019年Smart Energy Week已經圓滿閉幕,透過展會,可以發現技術的精進與應用市場的轉變。在參展商的參與熱度上也可看出產業的榮枯與興衰。今年的能源大展可以明顯嗅出中國的崛起,不止中國參展商攤位霸氣十足,備有能說中文解說員(甚至多位)的日本攤位也激增。擁擠的走道上、攤位前擠滿講北京腔的中國人尤其明顯。在能源領域,國內如何找出利基市場切入深耕,實值得思考。
 
另外,明年東京奧運的舉行,Big Sight國際展示中心部份展區將受到影響。根據主辦單位的說明,明年的Smart Energy Week仍將以同樣的規模登場,時間已決定在2020年2月26~28日舉行,但展區會稍做調整。東館將從明年1月起暫停使用,但靠近西館旁邊有棟新南館目前正在趕工興建中,加上新增的青梅館,應足以因應大展的空間需求。屆時Big Sight與幾步之遙的青梅館之間還會有免費的Shuttle Bus可供搭乘,對於參加展會應不致造成太大困擾,歡迎大家屆時踴躍看展、參展。
 
三天的展會現場觀察到此將暫告一段落,更多展會相關精彩照片將陸續在材料世界網 "展覽現場”專欄刊出,歡迎蒞臨材料世界網 https://www.materialsnet.com.tw---以上是材料世界網王文獻、蔡麗端、陳錦城、曾寶貞在Smart Energy Week 2019日本現場所做的Live報導。

 

台灣館精選
【格斯科技股份有限公司】

分享