撰稿人 T41黃俊傑
一、儲能產業興起背景
在氣候變遷的挑戰下，全球已有127個國家承諾在2050年達成淨零排放，並且紛紛加速能源轉型。根據BP2022年世界能源統計報告，2021全球電力結構中，化石燃料(原油、天然氣、煤礦)比例為61.4%，台灣更是高達83.3%。但未來隨著全球綠能及儲能政策的推進(表一)，電力系統中可再生能源的占比將進一步提升。歐洲已設定儲能及再生能源目標。國際能源署(IEA)在「2023年全球電力市場報告」中預估，三年內再生能源將超越燃煤，成為全球最大電力來源。
表一、歐洲已設定2030年儲能及再生能源目標之國家
除了迅速發展再生能源、提高綠電的使用率之外，為穩定電網品質，儲能系統的建置也至關重要。在電網當中，維持用電量和發電量的動態平衡十分關鍵，發電過多或過少，會導致電網頻率波動，進而造成供電品質的下降，可能對用電設備造成損害。儲能系統可儲存再生能源產生的電能，緩解再生能源間歇性、波動性問題，並在用電高峰、斷電時提供備用電源，進而強化電網韌性。
市調機構彭博新能源財經(Bloomberg New Energy Finance)預測，2030年全球儲能系統規模將較2021年大幅成長11倍。伴隨新能源發電大規模接入電網，儲能將成為新型電力系統的基本要素之一，新型儲能技術順勢成為電力系統脫碳新動能。
二、台灣政策推動綠能及儲能發展
台灣政府為鼓勵再生能源發展，推動《再生能源發展條例》政策，於110年1月正式啟用「一定契約容量以上之電力用戶應設置再生能源發電設備管理辦法」，規定使用契約容量達5,000KW(千瓦)之用電大戶，需自行設置一定裝置容量以上再生能源發電設備或儲能設備，亦可採用購買一定額度之再生能源電力及憑證。法案頒布實施後，義務人需於五年內完成使用契約容量10%的再生能源義務裝置能量，預估可創造大約1GW(10億瓦)的再生能源交易市場。
經濟部於去年10月表示，計畫於2025年底前增加再生能源供給容量逾3GW，針對再生能源間歇性發電特性，經濟部以2025年電網端儲能1GW，以及太陽光電結合儲能0.5GW，總計1.5GW為目標，來提高電力系統穩定性，2030年目標則為5.5GW。此外，台電2020年辦理「儲能自動頻率控制(AFC)調頻備轉輔助服務」採購，以及2021年成立「電力交易平台」，也逐漸帶起台灣儲能產業的發展。
市場分析機構InfoLink預計，台灣儲能市場規模在2023年開始有顯著成長，將由2023年的100億元，2026年時增加至200億元，到了2030年進一步成長到2,000億元。
三、儲能技術發展趨勢
根據技術特性和能量形式不同，儲能技術可分為機械儲能、電化學儲能、熱儲能、電磁儲能、化學儲能共五大類，詳見表二。
表二、主要儲能技術參數比較表
抽水蓄能是目前技術最為成熟、裝機規模最大的儲能技術。根據中國中關村儲能產業技術聯盟統計，2021年全球儲能市場累計裝機規模中(圖一)，抽水蓄能占比達到86.2%(年減4.1%，首度低於90%)，新型儲能占12.2%(年增67.7%)，其中鋰電池就占了90.9%，位居新型儲能主導地位。
圖一、2000~2021年全球電力儲能市場累計裝機規模(MW%)
抽水蓄能受到地理位置的嚴格限制，需要足夠的高度差(約400~700公尺)使水推動渦輪發電，有啟動速度慢、選址不易、施工時間長等缺點，且無法解決由風電、太陽能為主的新能源發電不穩定造成的問題，故未來成長性較低。
相較之下，電化學儲能受到的外部因素影響較少。其中鋰電池擁有出色的循環次數、能量密度、使用壽命且無記憶效應，逐年降低的成本也讓大規模設置變得可行，因而成為應用最為廣泛、裝機規模增速最快的電化學儲能技術，也是本文主要介紹重點。
工研院產科國際所預估，鋰離子電池在未來五年將佔整體儲能裝置量95%以上，少數示範應用或特殊應用目的案例才能看見其他技術的蹤影，如液流電池、電熱儲能等長時間儲能技術。
目前台灣共有大觀、明潭2座抽蓄水力儲能電廠，裝置容量2,602MW(百萬瓦)，扮演電力調度的角色。新型儲能方面，台電預估2018~2023年新建儲能容量將由2MW增加至288MW。
四、儲能電池發展趨勢
鋰電池儲能系統主要由電池組、電池管理系统、能源管理系統組成。其中電池為整個鋰電池儲能系統的核心，是成本及技術門檻最高的部分，高度影響了系統的經濟型與性能。
依鋰電池所使用的正極材料不同，鋰電池可以分為磷酸鐵鋰(LiFePO4，LFP)電池、鎳鈷錳三元(NCM)鋰電池、鈷酸鋰電池等，詳細性能對比請見表三。目前鋰電池儲能系統主要採用LFP及NCM三元鋰電池，中國儲能電池廠商以研發磷酸鐵鋰為主，海外廠商則以三元鋰電池為主，但由於近年三元鋰電池的安全性等問題，導致普遍市場接受度低於磷酸鐵鋰電池。
表三、鋰電池各正極材料性能參數對比
對於儲能系統，由於LFP電池的安全性與價格優勢，未來幾年勢必仍為主流材料，但以電動車或鋰電池產業發展趨勢來看，磷酸錳鐵鋰(LMFP)和NCM具有更高能量密度，是目前的研發重點。
LFP能量密度一般為140~160 Wh/kg(每公斤瓦時)，最高可達180Wh/kg。而NCM能量密度一般為180~230Wh/kg，高鎳NCM更是可達到300Wh/kg，但高鎳會增加電池不穩定性，生產成本與技術門檻也較高。
LMFP是在磷酸鐵鋰基礎上摻雜大量錳元素得到的新型正極材料，可視為LFP的升級版。LMFP安全性能優於三元材料，能量密度高於LFP 15~20%，且對稀有金屬依賴度低，能與LFP共線生產，成本優勢明顯。但LMFP目前仍有導電性差、錳溶出、循環壽命短等問題待解決。
目前儲能系統中常見的40呎貨櫃，內含十個電池機櫃，搭載近三千顆的電池來儲存2~3MWh(兆瓦時)的電力容量，通常使用磷酸鋰鐵電池作為能量儲存的載體。由於儲能系統是做電力的儲存及釋放，在多次來回重複的充電及放電之下，系統之間可能會有衝突產生，所以必須注重安全性。磷酸鋰鐵電池在儲存和充放電過程中幾乎沒有氣體析出，安全穩定性強，與其他材料混合使用後，高溫性能也比較好。三元鋰電池的熱穩定性比較差，當溫度達到250~300℃時，電池內部的電解液就會發生強烈的化學反應，導致電池自然爆炸，故高溫安全性較差。今年三月初傳出鳳山擬設全台最大儲能廠，遭到居民質疑安全性，廠商即表示廠內採用的是活性較低的磷酸鋰鐵電池。
目前鋰電池儲能因技術成熟度及經濟效益較高等優勢明顯，預計未來5~8年內仍為目前市場主流。然而鋰電池有性能已接近理論極限、依賴鋰、鎳、鈷和石墨等金屬原料等明顯缺點，故其他電池技術，如固態電池、鋁鎳熔鹽電池、金屬空氣電池，亦在研究開發當中。
其中美國儲能技術新創公司Form Energy開發的「鐵空氣電池(Iron-air Battery)」獲得比爾蓋茲(突破能源風險投資基金)、貝佐斯、安賽樂米塔爾等機構關注，自2021年起已募資超過8億3千萬美元(約新台幣250億元)。該公司創辦人包含曾任特斯拉固定儲能計畫副總裁的Mateo Jaramillo及台裔美籍鋰電池研究先驅蔣業明博士。
鐵空氣電池之原理乃是藉由「鐵的可逆氧化」在放電時，讓鐵顆粒暴露於空氣中轉換成鐵鏽並透過氧化反應產出電力；充電時電流輸入系將鐵鏽轉化為鐵達到氧化鐵去除的還原反應。
鋰電池一次只能儲存4~6小時的電量，而鐵空氣電池可以運行100小時而無需充電，適合儲存來自間歇性風能和太陽能發電的能量。Form Energy One電池廠將於2024年開始商轉，預計成本約只有鋰電池的15%。
Form Energy於2022年3月在One Earth期刊投稿，篇名為「The iron-energy nexus: A new paradigm for long-duration energy storage at scale and clean steelmaking」(長時效大規模儲能和清淨煉鋼的新範例)，認為鐵空氣電池的長時效蓄電能力結合DRI-EAF製程，可進一步促進煉鋼的零碳排轉型。
五、鋰電池儲能系統架構
鋰電池儲能系統主要由電池管理系統(Battery Management System, BMS)、功率調節系統(Power Conditioning System, PCS)、能源管理系統(Energy Management System, EMS)組成(圖二)。三者之間協調配合將電池能量按照電網需求進行功率轉換，並透過保護機制對其充放電過程進行控制，以確保電池的運行安全。
圖二、儲能系統架構圖(資料來源：盛齊綠能官網)
(一)電池管理系统(BMS)
儲能電池管理系統作為電池系統的核心組成部分，是電池組與外部設備聯繫的橋樑，決定著電池的利用率，其性能對儲能系統使用成本和安全性能非常重要。
電池管理系統由電池管理單元(Battery Management Unit, BMU)、電池簇管理單元(Battery Cluster Management Unit, BCU)、電池陣列管理單元(Battery Array Management Unit, BAU)組成。
BMU負責電池單體及電池模組管理，集各單體電池電壓、溫度等資訊蒐集、上傳、平衡、熱管理等功能一體。
BCU負責一個電池簇中全部BMU的管理，同時具備電池簇的電流採集、總電壓採集、絕緣電阻檢測、充電狀態估算等功能，並在電池簇發生故障時跳開直流接觸器，使電池簇退出運行，保障電池安全。
BAU對BMU、BCU上傳的資料進行數值計算、性能分析、資料儲存，並與PCS、監控後臺進行資訊傳輸，BAU配有顯示幕，具備電池資訊、參數配置、故障報警顯示等功能，監控後臺根據BAU上傳的各種資訊，可對電池組進行充放電，達到調峰調頻、削峰填谷、動力輸出等作用。
(二)功率調節系统(PCS)
PCS是直流側電池系統與交流側電網的介面，主要作為儲能電池與電網的雙向功率調節及相關協助工具，是整個儲能系統的核心與關鍵組成部分。它可以雙向轉換，放電就是將電池的直流電轉換成一般電力公司的交流電，充電則是把一般電力公司的交流電轉換成電池的直流電儲存起來。
(三)能源管理系统(EMS)
在完整的儲能系統架構之中，能源管理系統為整套系統的管理員。藉由系統控制器或控制盤連接儲能系統與電網，並具備資料通訊功能，可蒐集場域中再生能源發電系統、儲能系統等電力設備的運行與能源資訊，將數據資訊可視化，進行遠端監控、能源調度與控制、設備管理維運，優化能源管理效率。
六、再生能源與儲能系統整合應用
從整個電力系統的角度看，儲能的應用場景可分為發電側儲能、輸配電側儲能和用電側儲能三大場景。發電側對儲能的需求場景類型較多，包括電力調峰、穩定電網頻率、再生能源併網等；輸配電側儲能主要用於緩解電網阻塞、延緩輸配電裝置擴容升級等；用電側儲能主要用於電力自發自用、峰谷價差套利、容量電費管理和提升供電可靠性等。
(一)發電側
- 電力調峰
透過儲能系統可達成用電負荷的削峰填谷，即發電廠在用電負荷低谷時段對電池充電，在用電負荷高峰時段將儲存的電量釋放，可避免可再生能源的浪費。例如太陽能發電集中於白天，需要將白天剩餘電量進行儲存以備晚上放電。
- 穩定電網頻率
頻率是電力供需平衡的指標。台灣電網頻率大致維持在60Hz，當發電量偏高時，頻率變高；發電量不足時(例如發電機組或電網發生事故)，頻率就會下降。
利用鋰電池儲能系統快速充放電的特性，儲能系統開發出自動頻率控制(AFC)功能，可隨時追蹤電網頻率，偵測到頻率偏高時，就主動吸收多餘電力；偵測到頻率偏低，就快速補充電力，是維持電網穩定的功臣。
- 再生能源的輸出平滑化
再生能源易受天候因素影響，電力輸出相對傳統發電機組較不穩定，可能造成電力系統的可靠性下降。為了減少綠能輸出變化對電網的衝擊，結合儲能系統的充放電控制，可以吸收調節電力輸出變動，達到平滑化功能。
(二)輸配電側
- 緩解電網阻塞
電網阻塞是指線路負荷超過線路容量，儲能系統可在發生電網阻塞時可以將無法輸送的電能儲存到儲能裝置中，等到線路負荷小於線路容量時，儲能系統再向線路放電。
- 延緩輸配電裝置擴容升級
傳統電網規劃或電網升級擴建成本很高，在負荷接近裝置容量的輸配電系統內，若一年內大多時間可以滿足負荷供應，可以利用儲能系統有效提高電網的輸配電能力，以延緩新建輸配電設施成本，延長原有裝置使用壽命。
(三)用電側(工商企業)
- 分時電價管理
使用者可將用電離峰時段多發出來的電儲存起來在尖峰時段使用，以節省尖峰時段電費，並提高自發自用率，或在尖峰時段售出以獲取更好的價格，提高儲能系統和再生能源的投資回報率(圖三)。
圖三、儲能系統可「削峰塡谷」，解決綠電無法依照需求時段
穩定發電的間歇性問題
- 提高供電品質
在使用者端，儲能系統同樣可以進行平滑電壓、穩定頻率波動，如利用儲能系統解決分散式光電系統內電壓升高、驟降等問題。
- 提升供電可靠性
發生停電等電力故障時，儲能系統可將儲備的電能供應給終端使用者，避免了故障修復過程中的電能中斷，以保障供電可靠性。
根據2022年12月中鋼法說會簡報及新聞資料，公司已於2022/6/1完成建置1.8MWh儲能系統，並於2023年1月中參與台電動態調頻(AFC)平台。第二階段將增建2.2MWh儲能系統，並與太陽光電系統結合，達到太陽光電輸出平滑化與綠電時段轉移功能。第三階段則規畫將2MWh儲能系統應用於廠內不斷電系統。
七、鋰電池儲能系統火災成因與預防
如表三，即便是儲能技術與規範日益成熟的今日，鋰電池儲能系統的火災事故仍無法倖免。2021年7月底，澳洲特斯拉儲能系統火災，13噸鋰電池完全點燃，延燒四天後才被撲滅，南韓自2017年以來也發生了34起儲能火災事故。在台灣，2020年7月台北內湖民權大橋下發生尚未安裝的儲能貨櫃起火事件，2022年3月工研院龍井儲能案場失火，幸而兩起都順利撲滅。
表三、近年儲能電站火災爆炸事故及可能誘因
儲能系統失火最常被探討的原因為電池老化與熱失控，熱失控是指電能過度釋放導致溫度上升。目前儲能設備熱失控之主要原因歸類為四類(圖四)，分別為1.電池本身過度充放電；2.外部環境惡劣(高溫或多沙塵)；3.因材料穿透、擠壓和彎曲所造成的機械變形；4.內部短路。
圖四、熱失控成因與後果
鋰離子電池之熱失控過程為：1.當鋰離子電池遭受過充、過熱、穿透、壓扁時會產生高溫；2.此時固態電解質裂解；3.液態電解質分解形成易燃性氣體；4.半滲透隔離層融化導致短路發生；5.陰極材料裂解自發產生氧氣，電池內的電解質遇熱生成易燃性與爆炸性毒性氣體混合物如CxHy、CO、CO2、HF、H2等。就火災分類來說鋰電池火災是結合A類（電池外殼、電池電極）和B類（易燃性液態電解質）和C類(通電中電氣元件)之複合式類型火災。
抑制鋰電池儲能系統火災的滅火方式主要有以下四種：
(一)自動噴水滅火系統
鋰電池火災本質上是熱失控引起的，故降溫是滅火的重點，由於水的有效冷卻特性，故自動噴水滅火系統被廣泛用於一般商品的消防，然而，應用於鋰電池儲能系統的自動噴水滅火系統的有效性還需要進一步研究。噴水滅火系統的缺點如下：
- 水的高電導率可能會導致電池短路，引發附加的起火風險。
- 為防止熱失控蔓延，需要消耗大量水將電池冷卻到臨界溫度以下，造成一定程度的水資源浪費。
- 鋰電池火災遇水會增加CO、H、氟化氫等有毒氣體的生成。
- 由於電池模組密集的安裝結構，一旦停止用水，無法達到法冷卻效果時，電池內部可能會再次起火。
(二)細水霧滅火系統
細水霧的滅火原理為吸熱冷卻、隔氧窒息、輻射熱阻隔和浸濕作用。當鋰電池出現火災時，細水霧噴頭瞬間噴射而出，直接作用於火焰表面，快速達到隔氧窒息效果，進而抑制火焰的燃燒。同時，細水霧霧滴粒徑大小為1,000μm，而傳統噴水系統的液滴尺寸約為5,000μm，細水霧受熱後極易氣化，這個蒸發的過程將帶走大量熱量，迅速冷卻火災區域。在實驗室規模的鋰電池火災試驗中，細水霧滅火系統表現出了極佳的電池降溫和阻止複燃效果。
(三)惰性氣體滅火系統
惰性氣體導電性低，作為滅火劑滅火後全部揮發，無殘留物，對環境無污染等特性，使得其廣泛應用電氣、電子元件機組等帶電作業等場合。研究發現，N2、CO2、He等惰性氣體的不燃、不支援燃燒的特性對由鋰離子電池熱失控引發的火災具有抑制作用。當鋰離子電池儲能系統發生火災時，煙霧探測系統啟動，在封閉環境中使用惰性氣體可快速降低O2濃度，阻隔燃燒物與O2接觸，以抑制火勢延燒。但氣體的冷卻性能較差，通常無法阻止熱傳播蔓延，且在使用時存在缺氧窒息風險。
(四)潔淨滅火劑滅火系統
其分子汽化階段能迅速冷卻火焰溫度，並且在化學反應過程中釋放游離基，能阻止燃燒的連鎖反應，能夠抑制初期鋰離子電池所引發的火災。此類滅火劑的主要缺點是暴露在高溫下可能形成二次有毒和腐蝕性產物，會對消防人員安全造成威脅。
2019年美國亞利桑那州儲能站火災事故報告指出，儲能站內設置之NOVEC 1230潔淨滅火藥劑雖有正常啟動，但其無法有效抑制級聯熱失控，為無法順利滅火之主因。研究發現細水霧對於電池組有良好的吸熱效果，此外其可防止火災延燒至其餘電池空間，且有良好的吸附氣體及降低氣體溫度能力。NOVEC 1230僅能撲滅電池表面火焰，但在吸熱方面及降低氣體溫度之表現較細水霧差；撒水設備雖不能撲滅可見的火焰，但降溫能力如同細水霧，但撒水可能會使易燃性氣體滲入電池組並形成高濃度狀態，進而提升爆炸之風險。
IEK產業情報網整理各種鋰電池系統火災滅火方式之優缺點如表四。
表四、各種滅火方式對鋰離子電池火災之優缺點比較
鋰電池一旦燃燒就很難撲滅，因此在儲能系統意外中，最重要的是做到火勢不延燒，讓災害侷限在特定機櫃或小範圍，減少損失。經濟部標準檢驗局去年八月訂定「戶外電池儲能系統案場驗證技術規範」(圖五)，要求設置儲能系統須在工業區或離加油站等設施一定距離，可確保儲能場域附近有足夠的消防設施、減少延燒的可能。
圖五、經濟部標準檢驗局訂定「戶外電池儲能系統案場驗證技術規範」，
規定「防火設計與距離要求」等規範。
八、台灣儲能產業鏈簡介
儲能系統產業鏈可分為上中下游，上游是電池材料，包含正、負極材料、電解液、隔離膜；中游是電池芯，是儲能系統中最重要的一環；下游則是電池模組、電池機櫃及電池管理系統(BMS)、功率調節系統(PCS)、能源管理系統(EMS)以及儲能系統整合(SI)。
在儲能系統成本比例中，電池佔比最高為60%，其餘分別為電池管理系統(BMS) 5%、功率調節系統(PCS) 20%、能源管理系統(EMS)、其他系統5%。
國內儲能產業供應商清單如下表，以下簡介台灣有特殊優勢的儲能系統廠商，包含台達電、台泥、台塑及中興電工。
表五、國內儲能產業供應商(資料來源：經濟部)
(一)台達電
由表五可以看出，台達電幾乎包辦整個儲能系統的供應鏈，目前台灣近65%的儲能專案皆由台達電所建置。台達電是國內儲能產業的龍頭廠商，也是中鋼建置儲能系統的合作廠商。
台達電結合電動車充電樁、儲能系統、微電網系統、整合太陽能等軟硬體產品，主攻電網及併網級大型儲能系統，提出高效創能、碳排放追蹤、穩定電力供應、RE100太陽能餘電調度、社區與充電站能源管理、工廠節能等低碳轉型應用，是台灣唯一能提供最完整解決方案的廠商。
(二)台泥
台泥2021年投資新台幣45億元收購歐洲儲能公司NHOA，一躍成為全球儲能系統建置容量第四大的公司，在儲能產業上表現非常積極。台泥除了是電力交易平台認證的廠商之一，也是五家已簽約廠商中唯一一間儲能設備全部台灣生產的台灣儲能國家隊。集團旗下的能元科技專門生產中高功率的鋰三元電池，到2024年產能可高達3.3GWh/年，電池芯供不應求。
台泥運用自身技術首創世界專利超高性能混凝土儲能櫃(UHPC儲能櫃)，比一般金屬儲能櫃減少約50%的碳排放量，具備防火、抗壓、抗滲、耐候性高的特性。
(三)台塑
台塑旗下台塑新智能近年在新能源領域方面積極布局，在台塑生醫彰化觀光工廠中設有1.2MW的儲能案場，2022年10月宣布正式加入台電公司電力交易平台，是全台第一個搭配工廠的儲能案場。由於必須要考慮工廠本身的負載以及台電公司的電網頻率，故該案場系統調控困難度很高。但目前透過自行研發技術，使該案場自上線以來平均執行率達到百分之百。
台塑集團的優勢在於，從鋰鐵正極材料、電解液、鋰電銅箔、隔離膜等電池芯材料自製率已達八成以上。2022年更投資超過160億元，在彰濱工業區設置5GWh/年的磷酸鋰鐵電池芯工廠，預計於2024年開始第一階段生產，正式跨足電池芯產業領域。
(四)中興電工
中興電是台灣最大的電力設備供應商，在重電市場中市占達七成，在統包工程以及風電計畫等領域市占率也超過三成，並針對分散式儲能系統提供整合服務。
值得一提的是，中興電同時擁有甲醇重組製氫技術，2022年正式啟動「氫能華亞園區A+」計畫，計畫打造氫能生產基地，主要應用在分散式加氫站、燃油車除碳機、氫能備源電力、低功率氫能車、氫能微電網系統及碳捕捉系統等產品。中興電認為，餘氫發電是全球用氫發電最快的方式，2022年11月與台苯簽署合作意向書，共同發展工業製程餘氫發電，預計2024年將建置10座餘氫電廠。
九、結論
全球暖化問題日益嚴重，為了人類永續生存發展，減碳乃至零碳，是當前國際社會共同努力的目標，其中發展綠能、進行能源轉型，為重要途徑之一。
國發會2022年3月公布「臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明」，「電力系統與儲能」即包含在十二項關鍵戰略當中。再生能源發電量受到天候及時段極大影響，將對電力系統穩定度造成嚴重影響，而儲能系統具有儲存電力及響應速度快等特性，可在大量綠電併網時讓電網維持穩定運行，並使再生能源利用率極大化，勢必將在「電網脫碳化」任務中扮演關鍵角色。
T41自2021年10月開始持續蒐集儲能相關資訊，已提供公司儲能小組300多篇文獻資料。本篇報告摘錄其中重要觀念及議題，並且進一步搜尋相關資訊，以提高資料的完整性及客觀性，希望能讓相關單位能以更全面的觀點認識儲能技術發展現況及未來趨勢。
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