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美國 ARPA-E 能源儲存基金研究計畫 看全釩液流電池後續應注意的研究方向.pdf
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美國 ARPA-E 能源儲存基金研究計畫 看全釩液流電池後續應注意的研究方向.pdf
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由美國 ARPA-E 能源儲存基金研究計畫- Days
看全釩液流電池後續應注意的研究方向
心得與建議
本篇綜覽美國 ARPA-E 歷年來在儲能研發方向所規範的技術目標進程,對照
ARPA-E 最近所提 DAYS 方案的技術目標規範,認為我國發展環境友善但不穩
定供電的風光綠電,併網必需的電網儲能用電池,全釩液流電池為正確的選項,
但應注意降低成本與減少待機耗能兩大方向,才是符合 DAYS 技術規範所展現
電網儲能的未來研發趨勢。 關於降低成本方面,建議研發經濟有效的「釩電解
液回收再利用」方法,變更電解液成本成為只是有限花費的「運轉成本」,而非
固定投資成本,若能再佐助輔導成立「電解液租賃交換」的商業分工模式,將可
有效降低電解液的總體價格成本。另外,關於減少待機耗能方面,可改善電池系
統的結構設計,使待機時,切斷(或減少)電解液與隔離膜的接觸,並減少待機時
循環泵的能耗 (或進而開發待機時,免用循環泵的系統模式)。是建議未來可投
入研發探討的方向。
摘要
自 2009 年美國首次撥款 ARPA-E 基金以來,已陸續撥款 20 億餘美金,贊助其國
內研究單位,從事於政府所規範,國家未來能源展望方向相關之能源技術研發;
其中 ARPA-E 贊助在儲能範疇裡的技術系列,分別由 BEEST 、GRIDS 、HEATS、
AMPED、 RANGE、IDEAS、CHARGES、REBELS 等技術類別,衍伸至最近的 DAYS
(Duration Addition to electricitY Storage )技術類別;DAYS 獎助方案的公告規範顯
示,美國展望未來能源儲存目標,在調節不穩定綠電的儲能方面,應具有至少
10 到 100 小時電能儲放轉移的削峰填谷能力,該 DAYS 方案所設定的技術規範
值得我國相關有司 在設定綠電儲能技術研發方向之參考。液流電池因其本質特
性,在儲能容量設計上可以與電力功率設計脫鉤,相較於其他化學電池更符合
DAYS 削峰填谷的規範需求,全釩液流電池(VRFB)為當今最具展望的液流電池技
術,對照 DAYS 的儲電規格需求,應注意成本與待機耗能兩大方向,建議投入研
發釩電解液回收再利用的有效方法,並改善電池系統設計,適時切斷(或減少)電
解液與隔離膜的接觸,阻斷(或減少)待機循環 Pump 的能耗。
ARPA-E 簡介
ARPA-E (Advanced Research Projects Agency
–
Energy )是美國政府瞻前國家未來能
源政策方向,藉由撥款贊助國內研究單位(包括政府研究機構、大學研究院校與
民間企業單位),使具有潛力的研究單位,在政府指引的能源方向上,提出能源
研究計畫獲取政府基金獎助,進而從事於相關之先端(cutting-edge)能源技術研
究發展。 由於該等技術的後續發展與財務負荷方面的不確定性,企業本身若非
有政府資助 ,多不太有意願率先燒錢投入該等前瞻技術的創新與研發。
ARPA-E 最初的創立概念是由美國國家科學院(National Academies)的一份題名為
“從匯集圈中崛起:為美國帶來更美好的經濟未來 ( Rising Above the Gathering
Storm: Energizing and Employing America for a Brighter Economic Future)” 的報
告構思出來。 2007 年正式依照 國會授權的 America COMPETES Act,在美國能源
部(DOE)內設立,但當年尚未編列預算。
2009 年美國總統 歐巴馬簽署撥款 ARPA-E 基金,成立以後,首輪匯集了 3700
份計畫申請書,經 6 個月的精選挑選,於 2009 撥款 1.5 3 億美元,贊助共 37
個計畫,主要範疇可歸類為有 (1)再生能源技術系列 (Renewable energy
technologies )包括 太陽能、風能、地熱、生質能 等等技術的開發 ,(2)能源
效率技術系列 (energy efficiency technologies)包括 電動車、廢熱回收、電
致變色玻璃、燃料電池薄膜 、智慧建築 ,以及(3)儲能技術系列 (energy
storage technologies )包括 超級電容 (ultracapacitor), lithium-ion
batteries)、金屬空氣電池 (metal-air batteries)、熔鹽鈉電池 liquid sodium
batteries)、液態金屬金屬電池 (liquid metal batteries );個案的獎勵金額從
50 萬美元到 900 萬美元不等 。
第二輪以後,ARPA-E 開始提出各領域的需求規範,徵集與所開規範相關的技
術研發項目,共設立了三個關鍵領域的贊助方案(program):分別為電力生物燃料
(或稱電子燃料,Electrofuels ),電能儲存電池運輸(BEEST),以及先進
碳捕集技術的創新材料和工藝(IMPACCT)。 爾後各年陸續撥款 ,迄今已撥
款 20 億餘, 主要的技術範疇概可歸類為運輸、電力與節能等三大領域 。在電
力領域又可細分為 (1)集中發電範疇、(2)分散式電力範疇 、(3)電網範疇與(4)
儲能範疇 ;
其中,在儲能範疇裡贊助的技術系列(含電力與運輸領域內的儲能),按照歷年主
題分別從早先 2009 年技術尚未分類、 2010 年 BEEST 、2010 GRIDS 、2011 年
HEATS、2012 年 AMPED、 2013 年 RANGE、2014 年 IDEAS、2014 年 CHARGES、
2014 年 REBELS 等技術分類、衍伸至最近 2018 年獎助的 DAYS (Duration Addition
to electricitY Storage ) 技術,其中需求重點與規範的演化,正顯示美國展望後續
國家能源儲存的需求方向,值得加以注意。
其他 ARPA-E 獎助的技術系列方案,例如: ADEPT、ALPHA、ARID、ATLANTIS、
BREAKERS、 CIRCUITS、DELTA、ENLITENED、FOCUS、GENI…,仍有
很多,因未歸類為儲能範疇的技術系列,非屬本篇所的探討儲能領域,將予略
去,讀者若有興趣可在
https://arpa-e.energy.gov/?q=program-listing&term_node_tid_depth=All&field_
program_tid=All&field_program_status_value=All&sort_by=title&sort_order=A
SC 查知。
APAR-E 先前贊助各儲能方案(program)之目標簡述:
2010 年 BEEST 與 GRIDS 方案
BEEST 全名為: Batteries for Electrical Energy Storage in Transportation,可譯為“運
輸中的電能存儲電池”,該技術系列,概言之,就是開發各種電動和插電式混合
動力汽車 (EV / PHEV)適用的可充電電池技術,來實現替換汽油車的目標(包括價
格和性能兩方面),使電動汽車得以大規模生產。
GRIDS 全名為: Grid-Scale Rampable Intermittent Dispatchable Storage ,可譯為“綠
電併網技術”,該技術系列, 概言之,就是開發各種可存儲可再生能源的儲能
技術 ,該技術可以 消弭再生能源不穩定供電 的特性 ,且儲能不受地理環境因
素影響,可用於任何的電網位置,投資成本低於每千瓦時 100 美元。使不穩定再
生能源電力得以併網應用 。
2011 年 HEATS 方案
HEATS 全名為: High Energy Advanced Thermal Storage,旨在開發革命性的,且經
濟有效的熱儲能的方法。專注於三個特定領域:1)開發高溫太陽能熱能儲存,
能夠經濟高效地全天候提供電力和核電站的熱能儲存,能夠經濟高效地滿足用電
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