在一个潮湿夏季的炎热午后,某个大都市无预警停电;在那之后不久,同样的那个傍晚,在电力公司的电网计算机系统深处,响起一个通过因特网发送的区域性警报,对象是数不清的Tesla Model S电动车,它们的自动驾驶系统立即通过GPS设定行驶路线,目标是受停电影响的变电站。

在此同时,一个个车库门被打开,启动了自动驾驶功能的电动车纷纷涌现、转向郊区的道路,看似在梦游、其实全神贯注于周遭情况;它们进入高速公路网关,开始一段通过电源逆变器组支持停电区域电源的旅程。每一台电动车的电量可达85千瓦小时(kW-hr),可提供停电区域医疗院所、商业机构以及一般住家紧急电源,直到电力公司恢复供电。

而那些电动车的主人还可以获得额外奖金:他们将能源卖回给电力公司,跟在夜间为电动车充电所花费的成本相比,利润很不错─投资报酬率最高可达六倍──其他地方很难有这么好的赚钱机会。

2016081000012 图1 配备自动驾驶功能的Tesla电动车。(图片来源:Tesla Motors)

以上是美国电子设计服务业者Nuvation共同创办人暨执行长Mike Worry所构想的、有如好莱坞电影或科幻小说情节一般的未来,或许在未来五年就会成真;你以为那只是幻想?事实上,汽车大厂Nissan在5月才宣布一项新试验计划,能让英国的电动车拥有者将自家电动车的电力卖回给电力公司。

这项V2G(vehicle-to-grid)计划是Nissan与意大利电力公司Enel以及英国国家电网(National Grid)合作开发,在英国有100辆Nissan LEAF电动车的主人将采用特制的双向充电站,在用电尖峰时刻把电动车储存的电力卖回给电网。目前在英国有大约1万8,000辆LEAF电动车,如果那些车通通都联机,总计可提供180MW的电量。

听听专家们的说法

为了让EDN的读者们对于目前的大规模能源储存方案以及超级电容(ultracapacitor)等技术有更清楚的了解,笔者最近访问了Nuvation的Worry以及电源解决方案供货商Maxwell Technologies区域销售经理Martin Mills。

我们的讨论以与时俱进的电池和超级电容技术,如何解决太阳能与风力发电的产能波动为出发点。Worry表示,这是结合高功率超级电容与高能量电池混合应用的良好案例,在这类应用中,对大量能源的需求,能结合提供数小时电力的电池与具备优异反应时间及循环寿命的超级电容来因应。电池的循环寿命为数千次,超级电容的循环寿命可达数百万次。

也就是说,如果每天有十几次阵风,风力发电机在一年内就可能耗尽一颗电池的寿命;而如果混合使用超级电容,就可以建构一个利用超级电容处理频繁高度电源波动的质量系统,减缓电池的耗损。Worry指出,这对发电机运作与成本都有好处;Nuvation发现,那些能源储存系统得为了某个问题的各个部分打造不同的解决方案,超级电容与电池能妥善因应这类情况。

2016081000013 图2 风力发电场正在崛起。(图片来源:Caithness Energy)

Mill 补充指出,以Maxwell的观点来看,超级电容在这类混合式系统中确实是电池的好帮手,能有助于延长电池寿命,也可能降低对电池规模的需求;运作温度范围也是超级电容的另一项优势,尽管这类系统大多数都配备某种温度管理功能。比起电池,超级电容具备优异的超低温耐受能力,因此如果系统布建了超级电容,就不需要采用太复杂或太昂贵的温度管理设计。

笔者先前有一篇文章,曾探讨过超级电容与电池在超级炎热的美国亚利桑那州轻轨交通系统之应用;Mills表示,超级电容在交通与电网应用领域的应用主要有两种,如果是布建于轻轨车辆本身就算是交通应用,而如果是应用于通过再生制动(recuperative/regenerative braking)撷取能量的轨道旁(wayside)能量储存系统,则算是电网应用。

为电力用户节省电费

另一个问题是,如何利用智能储存电子装置来实现组合式(stacked)的电力公司服务?例如在离峰时间用电、并在尖峰时刻将能源卖回给电网,好让电费支付者省钱的需量电费(demand charge)减免服务;还有超级电容如何因应这类使用情境?

对此Worry感叹,新兴能源储存产业最迷人的部份,就是我们正在采用的能源只是瞬间、交易型(transactional)的,我们却正在发明一个概念,让能源能被储存,然后利用能源管理软件来应用那些被储存的能源。也就是说,想象在过去我们能把钱储存在银行、或是能以书写的形式来储存信息,但现在我们是把能源储存起来,并因此衍生出全新的经济模式。

把那些服务组合起来的功能实际上是在软件层面,而那些诸如需量电费减免、负载转移(load shifting)或是电表后端(behind-the-meter)等能快速回收利润、证明投资报酬率(ROI)的应用,则是都与电力公司如何为电力订价有关。

如果电力公司以你最高用电量来收取溢价,当然这就会激励产业找出他们可以扮演什么样的角色,以能量储存的方式协助降低需量电费;相同的,如果电力公司在一天之内针对不同时段有不同收费标准,就会激励产业以改变使用时间的方式来利用能源。Worry认为,我们将会看到新兴的住宅能源储存系统,基本上可以做决策、组合那些不同型态的算法以找出最佳的能源储存利用方式,为使用者节省电费。

然后在电力公司的电表这一端,我们也会看到组合式服务做出不同的决策;因为在电力公司的层级,有一些诸如可再生能源整合、频率调节等在较大层面执行且需要做不同决策的事情,这会是在电网层级执行的另一套算法组合服务。

笔者居住在美国亚利桑那州,利用沙漠地带日照充足的优势,本地有很多居民安装住宅用太阳能发电装置,因此有不少住户认为他们可以轻松地摆脱公用电网;但实际上如果没有能源储存设备会是很困难的,因为这里在雨季或是一年内的某些时候仍然有阴天。这类住宅用太阳能发电装置平均是十年左右才能回收初始投资;因此组合式使用有助于减轻屋主电费负担。

Worry 认为,我们将会看到一些能源储存设备以大量、小型化家用系统的形式问世,让民众能改善其电费账单;不过能源储存设备的最大推动力还是在于电力公司规模,而他也认为,许多电力公司都有很高的再生能源配额制度(Renewable Portfolio Standards,RPS)目标,如图3。

2016081000014 图3 美国29个州以及华盛顿特区的再生能源配额制度(RPS)策略。(图片来源:Berkeley Lab)

当再生能源发电量超出电力公司负担

Worry 住在美国加州,目前有42%的公用电力是采用可再生能源;这已经导致了例如在夏日午后会发生的太阳能缩减(solar curtailment)情况;因为可以回馈给电网的太阳能发电量过多,超出了电力公司可吸收量。这是一个值得探讨的课题,德国最近也曾发生太阳能缩减情况。

我们可能会开始看到一个“负费率(negative rate)表”的情况,也就是说如果电网是旧有系统,在发电量不足时有很多处理额外能源的能力,例如过度负载(an excess of load);不过,如果有太多再生能源回馈到电网时,电力公司就无法处理。Worry指出,再生能源过度负载的解决方案,就是大幅提高能源储存量。

加州为此上呈联邦政府,表示面临太阳能过量的问题,而因为没有足够的负载能利用在夏日午后产生的过量太阳能,是否该暂缓实施太阳能收入津贴(Solar Income Credits);联邦政府的回复当然是“不行”,必须维持发放津贴,因为这是美国全国性政策,加州需要想办法解决。

于是,加州真的想了办法解决,表示将布署1.36GW-hrs的能源储存设备;这会是数10亿美元的投资,不过将分配给多家供货商。当然,这方面的努力会是由电力公司主导,而知名市场以及政府指令在其中扮演主要推手。

Nuvation 实际上才刚宣布其公用事业等级(支持高达1,250VDC,可扩充为50个电池组配置、装载于ISO机箱的能量储存系统)电池管理系统,能符合MESA能量储存标准(图4)。Nuvation符合Draft 3版本标准的成就,简化了其电池管理系统与设备业者Parker Hannifin的MESA规格逆变器,以及Alevo的GridBank能源储存装置计划上的第三方站点控制器之整合(图5)。

2016081000015 图4 图右方的黑盒子就是Nuvation的电网电池控制器(Grid Battery Controller),能控制数个电池组,实现MW等级的电池管理。(图片来源:Nuvation)

2016081000016 图 5 Nuvation执行长Michael Worry (左三面朝前方)在美国北卡罗莱纳州Parker Hannifin旗下的Grid Tie Division事业部门,为能源储存产业人士介绍安装于新一代1MW/1Wh Alevo GridBank ESS机箱中的电池管理系统。(图片来源:Nuvation)

让你的电动车变成收入来源

我想有那么一天,每个人家里的车库停放的一或两辆Tesla电动车,也可以在能量储存方面帮上忙;当然,Tesla执行长Elon Musk也将获益良多。Worry表示,我们在未来可以有那样的想象,电动车不再只是家庭资产,也会成为收入来源。

在有风力与核能发电机运转的区域,人们夜间用电需求不大,你可能会在此时为电动车充电,以准备在明天从居住地驾驶到拥挤的城区上班、谈生意;而如果电力公司为因应本地业务对能源的需求,提供比你以往在夜间为电动车充电的费率更高的收购价格,你也可以将电动车储存的能源卖出,并因此取得收入。

Worry有一辆可储存85kW-hr电量的Tesla Model S电动车,而他一天通勤距离只有20英哩;如果能卖个好价钱,他会很愿意签署把电动车多余能源回售电网的协议。而他感觉应该有很多人也会认为这是有利的、愿意这么做。

我对于负载的能量转移如何通过结合使用电池与超级电容来获益感到很好奇,对此Worry表示,在以时间计费(time-of-use)的使用模式中,超级电容就不一定适合;这种使用模式更偏向是能量的消耗而非高功率电源的消耗,因为通常经历数小时。

举例来说,在Worry住的加州Campbell夏日午后,他可以用0.25美元/kW-hr的价格出售电力,然后在晚上以0.04美元/kW-hr的价格买回──价差是惊人的六倍;去告诉任何一个股票交易员,说我们将提供一个保证当日交易资产的市场,而且在一天之内获利六倍,他们都会觉得难以置信,但这是现实。

Worry在家做过一个负载转移实验,在电力公司尖峰收费时间以储存能源的铅酸电池为电动车充电,投资在六个月内就回收;不过他认为这种获利是属于人为的,因为应该无法持续。

超级电容能带来省钱效果

超级电容非常适合快速反应、高功率的应用例如电压骤降(Voltage Sag)以及电力质量矫正(Power Quality Remediation);电压骤降是一个电力公司层级的问题,他们需要布建更大的能源储存系统才能处理电压骤降,与之相关的是频率调节 (Frequency Regulation)。

Worry 表示,电力公司添加大型能源储存系统系统,可供单日20、30或40次的充放电;Nuvation曾观察采用电池的这类应用,但发现只四个月就会耗尽电池寿命,不具经济效益。而超级电容搭配电池备援的方案,确实是这类应用的理想选择,而其支持水平可媲美发电机或是尖峰负载电厂(Peaker Plants,如图6)等一系列能源设施。

2016081000017 图6 以超级电容结合电池能源储存系统来取代尖峰负载电厂,可以省下不少钱。(图片来源:CALMAC)

在全美约有300座尖峰负载电厂,一年只会运转几天;这些电厂需要完整的人员与装备,以因应一年少数几天用电需求飙升的状况。如果以超级电容搭配电池能源储存系统来取代这些尖峰负载电厂,可以想见能节省多大的成本。

这么做的另一个好处,是能因应难以预测的多变负载波动,备转容量(Spinning Reserve)估计为30%;也就是说,需要有比实时需求多30%的能源被产生。如果我们能将那些过量能源撷取至能源储存系统,并用以管理负载变动,可望大幅降低运转发电机所需的石化燃料用量,但仍然能支持那30%的备援电力,这是很大的比例。

Maxwell的Mills表示,大多数人会寻求的替代方案是添加更多的电池,以补充系统的电力需求;他们这么做的原因是他们往往对相关技术或超级电容的使用不太熟悉,或是不懂它们能如何恰当地在系统中运用混合方案。

不过在对功率与能量都有要求的组合式使用案例中,混合使用超级电容与高能量的液流电池(aqueous/flow batteries),通常在资本支出与运转成本方面更具经济效益;举例来说,在组合式使用案例中,可能会在单一能源储存系统中提供太阳能稳压 (solar smoothing)、尖峰用电调节(peak shaving)、时移(time shifting)等服务,如美国电力公司Duke Energy最近布建的一套系统。

Maxwell 在交通市场对超级电容的运用也非常成功,例如柴油/电混合动力巴士的能源再生,以及欧洲、北美的汽车怠速系统(Start-Stop systems)。在EDN姊妹网站Planet Analog刊登过一篇Maxwell的Shaw Lynds撰写之部落格文章,则提及Duke Energy与中国电力业者国电集团合作推动的新一代超级电容电网能源储存计划(图7)。

2016081000018 图7 特定的电网能源储存技术与超级电容储存方案的生命周期比较。(图片来源:Maxwell)

能源服务供货商Alevo Analytics则是为电网能源储存推出了Grid Bank方案;这些货柜式的机箱内含区域控制器(Area Controller),能优化能源储存设备的使用、组合各种服务,以及厘清电池何时应该要充/放电以稳定电力分配。

能源储存系统是稳定电网的基础

Nuvation的Worry表示,电动车的普及化对电网可能产生的冲击引起产业界很多注意,不过这个问题或许被过度夸大,因为电动车的耗电量其实与你家的冷暖气空调系统差不多,但你应该没听过有人担心空调系统过多对电网供电的稳定性产生威胁。

Worry指出,空调系统通常在白天使用量比较大,在某些区域晚上也会运作;他住在美国加州,晚上会关闭空调、为电动车充电,因此他的电力输送需求其实没有什么差别。但笔者的看法是,空调系统是一种成熟技术,其使用情况电力公司已充分掌握;电动车则是仍在发展初期。

对此Worry响应,有些人对于电动车将消耗大量电力太过激动,但实际上这可以通过一个连网开关控制器远程调节;他无法从家里的空调系统内部调整其电力消耗,但确定可以进入他的Tesla电动车,并调节电力使用费率。总之Worry认为电动车不会瘫痪电网。

那 电池与超级电容在频率调节方面能扮演什么样的角色?Worry指出,电池与超级电容实际上是发展多元化可再生能源的必备解决方案,并且能因应当电动车逐渐普及化而增加的负载变动风险;我们需要有更多的能力在电网频率调节、负载调节方面提供稳定性,因此能快速反应的能源储存设备非常重要。

除非有能源储存系统采用,内含超级电容与电池的混合式方案也无用武之地;如同美国加州对再生能源的采用情况。身为能源储存产业生态系统的一员,Worry乐见加州继续布建更多的太阳能发电系统,因为这将对能源储存有更多需求,同时也需要频率调节软件以支持再生能源的整合;因此关于电池/超级电容技术的议题已经超越其帮助,那实际上是有需求的方案。

在过去8年,Nuvation打造了一套电池管理系统(BMS)并可提供现场使用的电力公司等级产品;该公司持续看到在电网层级有对于电压以及尺寸方面的需求。目前的Nuvation电池管理系统可以支持最高1,250VDC并扩展至50个电池组并联(图8)。

2016081000019 图8 Nuvation的电池管理系统所支持的多组电池能源储存系统电路图。(图片来源:Nuvation)

Worry很自豪于能在BMS产品中提供上述能力,因为他们看到人们正在打造前所未见的大型系统;Nuvation还有一种名为电网电池控制器(Grid Battery Controller)的产品,能让所有的能量储存系统并联电池组的运作看起来就像单一颗电池。 在能源管理系统的某一层支持区域控制器功能,结合数个能源储存系统与其能量的工作现在是由软件负责;可以远程选择想使用哪种电网。你可以说想要的是每kW- hr成本最低的能源储存方案,或希望电网以最环保的方式运作、想要输电量尽可能越少越好;你可以实际在软件层上面选择你想要的供电模式(图9)。

2016081000020 图9 Nuvation的电池管理系统支持4个电池组的能源储存装置,图中的软件接口显示的读数精确反映在大型储存系统中之实际运转状况。(图片来源:Nuvation)

在电网相关技术方面能有这样的创新真的是很酷,毕竟电力系统真的是历史悠久;这让我想到老式的传统电话服务(Plain Old Telephone Service,POT)电话线,以及1980年代突飞猛进的DSL(Digital Subscriber Lines)技术的区别。

会让爱迪生开心的直流电力传输技术

产业界对于最终能提供家庭与企业应用的高压(HV)直流电力传输(DC Power Transmission)一直有很多想法以及相关技术的开发,甚至是HVDC在电信与数据中心领域的应用;Worry认为这是可能实现的,特别是随着我们以直流电功能打造更多太阳能与再生能源储存方案。

我们插上电源的大多数装置都是电子装置,而且这些装置大部分都是以直流电源来供应所有半导体组件;Worry补充,我们所有的计算机都是采用直流电,而且到处都可以看到可以把墙上插座供应交流电(AC)转直流电的转换器。

美国夏威夷州计划在2040年全面使用可再生能源,这些可再生能源都会是直流电形式,因此未来我们可能会需要把那些直流电转成交流电通过电网传输,然后再把交流电转成直流电供应各种电子装置使用。

现有的电力传输基础设施大多是交流电,而交流电耦合电气系统是人们熟悉且能轻松应对的;Worry不认为直流电力传输系统会很快大规模布建,我们可能会看到的是例如在亚利桑那州沙漠中心的一个新小区的建筑物里架设的直流电网,而其主要原因是在当地并没有现存的旧有交流电网设施。

一个可以参考的案例,是在尚未妥善发展电信产业的第三世界国家;这些国家并不是依循北美的发展路线,布建一系列以有线传输线路组成的基础设施、无线技术则置于其顶端,他们有部分是选择跳过有线网络、直接采用无线通信基础设施,因为后者价格较低。

而Worry认为,能源储存可能也会出现与上述类似的情况;有些人可能会说,既然我们这个区域的电网感觉像是非洲或印度偏远地区那样糟糕,干脆我们这个小镇完全脱离电网、自己建置一个大型太阳能发电数组以及能源储存系统,而且全面供应直流电吧!

妥善运用能源储存装置也能节省电费!

除了大规模能源储存设备,我们在这篇文章里也提到了家庭用户、电动车车主以及小型企业;为了让讨论圆满以及突显这个议题面临的挑战,我想聊聊最近在《Arizona Republic》地方报上读到的一篇精彩文章,谈的是“太阳能结合电池”方案的最新实际运用情况。

因为我居住的亚利桑那州一年有300天以上都是阳光普照,我已经敏锐意识到前面Worry曾简短提及的电力公司“需量费率”;在亚利桑那州,有一些致力于推动屋顶太阳能发电系统的倡导节能热心人士,基本上就是为了反对电力公司强制实施“需量费率”。

在我看来,家庭以及小型企业用户可通过采用电池而获益,因为如Worry所言能因此降低“需量费率”的财务效应。

在亚利桑那州,以太阳能发电的家庭用户供电网络高度吃紧;太阳能发电在这里的沙漠是中午时间最具效益,但电力需求量尖峰时间则是在日落时分,因为这时候企业商家与家庭用户都把空调开到最强(沙漠地区的情况跟美国东岸刚好相反,日落时分气温最高)。

所以问题在于,如果太阳能发电板没有搭配电池储存装置,在午后用电需求尖峰时刻对电力公司来说无法提供有效的协助。于是现在亚利桑那州本地的电力公司积极怂恿用电户采用电池技术,说明只装太阳能是不够的;而这样的配套解决方案不只适用于亚利桑那州的极端案例,在任何地方都可以改善太阳能运用效率。

许多大型太阳能发电系统安装者都反对电力公司的需量计费,以家用电池储存系统搭配太阳能设备,还有像是可以避免大型家电同时运作的用电需求控制装置、智能逆变器(smart inverters)、支持SEER/EER节能规格的新一代空调系统与可编程恒温器,看来是能大幅降低电力公司的需量计费,为用电户解决烦恼的方案。

(原文发表于EDN美国版,EDN台湾版编译)

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