臺灣風力發電與液流電池系統儲電情境模擬

1. 前　　言

我國能源系統屬於獨立型態，對化石能 源的依存度高，能源供應的自給率偏低，98%

以上需要仰賴進口(經濟部能源局，2011)。能 源影響層面廣泛，需要大量的使用煤、石油與 天然氣等能源的進口不但使得臺灣經濟隨著國 際能源價格與供應波動，也使得工業產品成本 隨著能源價格起伏，進而削弱臺灣產品的競爭 力與消費能力。電力是最好運用的能源形式，

若電力供應不足，則影響到國計民生，更危害 到經濟發展。各國在推動再生能源的技術發展

及應用歷程的經驗上顯示出風力發電及太陽光 電發電是較具有短期實現經濟規模的可能性。

臺灣地理四面環海，位於亞熱帶與熱帶地區，

風力與陽光潛能充足。若能逐年發展風與光發 電，可以強化臺灣能源的自主性，落實安全、

穩定與多元的能源供應，讓臺灣的能源能夠 永續營運。然而現有風與光再生能源的建置成 本偏高，因此提高效率，以降低發電成本，

將有利於再生能源長期的穩定發展。目前各國 使用再生能源的裝置比率在歐盟諸國為全 球 之冠(IEA, 2014)，包括德國(12.7%)、義大利 (14.3%)、西班牙(20.8%)與丹麥(34%)等等；美

Volume 3, No. 1, March 2016, pp. 55-78

臺灣風力發電與液流電池系統儲電情境模擬

謝錦隆

　薛康琳

　鍾岳霖

　戴志揚

摘　要

大量使用化石能源造成能源供給過度集中，且價格波動性大，影響經濟發展，並惡化溫室效 應。因此穩定能源供應、永續能源發展與安全分散風險，必須推動能源多元化，其中發展替代化石 燃料之新及再生能源即是選項之一。隨著大型再生能源供電比例的提升，電網必須有相對應的電力 儲存技術與之結合，有效改善功率浮動問題與調配電力輸出。釩氧化還原液流電池儲電系統具有：

維護成本與環境影響低、安全性與擴充性高、容量大與壽命長等特性，獨立與彈性的功率及電量更 適合於各種規模的應用。目前這種電池儲電效率與能量密度偏低，發展作為大型儲電的適用性已逐 漸在改進成熟中。本文研究基載與風力發電整合供電、複合式電力儲存系統應用。以臺灣「日最大 用電需求量」進行電力儲存系統運行性評估。假設全臺灣風力發電量佔6%的總電力供應量下，降 低總基載供應量，而以風力發電搭配儲電以調節發電與實際需求之差異，進行臺灣所需的電力儲存 量情境分析。其中風力發電量是以參考現有大型風力發電機特性及新竹濱海風場為例進行估算。分 析結果為扣除臺灣現有抽蓄水力儲電量後仍需建置11.2 GWh的電力儲存系統，此系統是選用釩氧化 還原液流電池儲電系統，則場域佔地面積約需12.43公頃之規模。

關鍵詞：液流電池、電腦模擬、風力發電、電網儲能

收到日期: 2015年03月05日 修正日期: 2015年09月10日 接受日期: 2015年10月20日

1 行政院原子能委員會核能研究所副研究員

2 國立聯合大學能源工程學系副教授

3 創國精密股份有限公司工程師

*通訊作者, 電話: 037-382387, E-mail: [email protected]

國、加拿大次之；在亞洲諸國中，則以澳洲為 較多。

臺灣電力供應系統架構主要是以火力、

核能、水力與再生能源發電所構成(台灣電力 公司，2015)。電力系統發電量結構以102年 為例，是以火力發電為主(~76%)，核能次之 (~19%)，其餘是為水力及其他發電(~5%)。臺 灣各地區供電能力與尖峰負載可分為北中南三 個地區區塊。北中南部供電能力相當(103年各 為35%、33%與32%)，但在尖峰負載需求量卻 有著相當差異(103年各為39%、30%與31%)，

因此為了因應北中南尖峰負載差異之需求而形 成必須仰賴「南電北送、中送北或南送中等」

予以支援不足部分之現象。因抽蓄水力儲能僅 佔總發電量的1.5%，尚無法單獨直接提供同一 日的尖峰與離峰負載變化量之調控需求，例如 夏日(103年07月15日)尖峰與離峰負載各為35 GW與26 GW，相差達9 GW之量，因此當日之 尖峰與離峰電力的變化是以中載機組與尖載機 組發電量調配之。目前風力發電與太陽光電發 電總量佔臺灣發電量約1%。風力發電每月最高 發電量約1.2億度(102年12月)，太陽光電發電約 1.8百萬度(102年9月)。未來這些再生能源將逐 步擴建，設置與推廣目標在2030年時風力發電 與太陽光電年發電量將達到佔全臺灣發電量的 4.8%。

風力發電與太陽光電發電在應用上一方面 需要選擇適當的地點及適合的地理與環境條件 配合，另一方面在本質上有日夜發電的時間限 制及供電穩定性不佳的潛在問題，易受季節與 氣候等的影響，輸出功率變化很大，小規模再

生能源的應用及併聯電網，對於現有電網系統 而言仍能適度調節應變，但當再生能源裝置容 量逐漸擴充超過電網電力供應一定比例後，若 無適當調節機制就直接併入電網，將嚴重影響 電力系統的穩定性及安全性。為了穩定電網並 達到電能安全供需的平衡，此時電力儲能系統 便成為電網中必備的設施元件。尤其是對於能 源的需求更必須要倚賴進口，卻具有其獨特的 潛在能源─再生能源(風與光發電等)的島嶼，

例如：澎湖、金門、綠島、夏威夷與關島等，

電力儲存對於島嶼型獨立電網環境更形重要，

它不但能改善間歇性能量供應問題而且能夠更 有效率地調配電能的供需。

在大型的電力儲存系統上，一般以定置型 儲能系統做為電能儲存的方式，例如：抽蓄水 力儲能系統(Pumped Hydro)是將電能透過抽蓄 機組以位能的型式貯存起來。而壓縮空氣儲能 系統(Compressor Air Energy Storage, CAES)則 是藉由加壓空氣將能量貯存於密閉空間中。抽 蓄水力與壓縮空氣儲能系統都需在適當的地理 條件下建設，而且需考量安全性與環境影響問 題。目前臺灣的電網的電力儲存系統是以抽蓄 水力儲能為主，以在南投的日月潭做為上池，

明德與明潭兩個水庫作為下池。上下兩池高低 位能差在300-400公尺之間。電力儲存(儲電)系 統依據其供電時間及供電功率，可分為發電、

輔助供電與輸配電系統三個主要的應用領域(如 表1)。電力儲存在發電領域，主要的應用是電 能管理、負載調節與尖峰供電。例如在尖峰時 間以電力儲存設備輔助供電可以減少對系統總 裝機容量的要求。圖1為各種儲能技術與儲能

表1　電力儲存在電力系統中各領域的應用與效益

領域 發電 輔助供電 輸配電系統

應用

電能管理 負載調節 尖峰供電

頻率調節響應 暫態備用電源 長期備用電源 虛功率之控制

提高系統的可靠度 與新(再生)能源結合

效益 提高發電設備利用率，減少對

系統總裝機容量的要求 降低輔助設備成本 提高系統設備利用率，延緩

新增投資之需求

系統關鍵特性的相對關係圖(Sabihuddin et al., 2015；謝錦隆，2005)。儲能技術分成化學儲 能、物理儲能、氫能與熱蓄能等等。儲能系統 的關鍵特性包括技術發展時之基本、應用與開 發等特性之指標項目。圖中之圓形面積代表該 關鍵特性對於各個儲能技術關聯程度的大小。

例如，以比能量(Wh/kg)而言，氫能有很高的比 能量(~ 33 kWh/kg)，抽蓄水力儲能的比能量(<<

0.1 kWh/kg)很低。以操作壽命而言，抽蓄水力 儲能遠較其他儲能技術為長，而且其技術成熟 度與規模也是最高與最大。表2說明各種儲能 系統依技術的特性有各自適合的應用場域。儲 圖1　儲能系統之特性關聯程度(Sabihuddin et al., 2015；謝錦隆，2005)



能系統在穩定電網與提高再生能源滲透率的應 用上扮演相當重要的角色，有效的電力儲存可 以提高整個電力系統的使用效率及發電的經濟 效益。亦可以補足傳統電力系統中之「原料-發 電-輸電-配電-用電」供電鏈成為完整產業所需 的六大產業供應鏈，並且可以應用在「發-輸- 配-用電」等不同層面，配合供電鏈之特性需求 差異而選用其適用之電力儲存技術，如此即可 以協助穩定供電、提高利用率與電力品質外，

更有助於發展整體電力儲存經濟產業。

電力儲存技術的應用範圍很廣。它可由 0.2 kW小型瞬時充放電作為電力品質提升之應 用，到500MW以上之大型長時充放電作為電 能儲存、管理與電力調控之應用。目前電力儲 存在各種場合的應用(日本富士經濟，2014)包 括：(a)電力電能應用：家用電腦到無線基地台 與中繼站等不斷電系統、住宅、大廈與建築物 等的備用電源系統、太陽光電發電系統、工商 業電力儲存裝置、風力發電的系統穩壓與變頻

控制；(b)電機動力應用：電動堆高機、土木 工程車、輕軌電動車、電動船、電動機踏車與 電動車；(c)家電與攜帶電子產品電池應用：手 機、筆電與平板電腦、手電筒、相機、可穿戴 裝置(wearable computer)與行動電源。電力儲存 在電網的應用(Eyer and Corey, 2010；Denholm et al., 2013)可以分為上中下游。在上游是電廠 發電(power generation)，在中游是輸供電與配 電(transmission and distribution)，在下游是電力 消費端(customer service)。依據使用對象大致可 以歸納出數十種電網電力儲存的應用，其中包 括：大量電能儲存應用(Bulk Energy Services)、

電能調節應用(Ancillary Services)、輸電建設的 應用(Transmission Infrastructure Services)、配電 建設的應用(Distribution Infrastructure Services) 與 消 費 端 能 源 管 理 應 用(Customer Energy Management Services)等等。圖2說明各種儲能 系統之適用範圍、技術成熟度與發展投資關係 (Sabihuddin et al., 2015；SBC Energy Institute, 表2　儲能系統的種類與特性應用

分

類 種類 特性說明 應用場域(註)

化 學 儲 能

鉛酸電池 低成本、壽命短、污染環境、需要回收 a、b、c、d

鋰離子電池 功率密度與效率高、污染環境、存在安全問題 a、b、c、d 液流電池(全釩、鋅溴、

多硫化溴等) 容量大、功率和能量獨立設計、能量密度低 b、c、d

鈉硫電池(NaS) 能量密度、功率密度高、成本高、安全性差 b、c、d

金屬空氣電池 能量密度非常高、充電性能不佳 b、c、d

二次電池(鎳鎘、鎳氫、

鎳鋅等) 能量密度與功率密度高、成本低、存在安全問題、

污染環境 a、b、c、d

物 理 儲 能

抽蓄(水力)儲能(PHS) 容量大、技術成熟、儲能成本低、受地理環境限制 e 壓縮空氣儲能(CAES) 容量大、成本低、受地點限制、需氣體燃料 d、e 飛輪儲能(Flywheel) 功率高、能量密度低、成本高、技術需要完善 b、c、d 超導儲能(SMES) 功率高、能量密度低、成本高、需經常維護 b、c、d

超級電容器 能量密度低、放電時間短、壽命長、效率高 a、b

氫 能

燃料電池(SOFC、

PMFC、DMFC、MCFC) 功率高、能量密度高、功率密度低、成本高、壽命

受限、需燃料供給、僅發電功能 b、c、d

熱 蓄 能

化學熱、潛熱、顯熱等 蓄能

壽命長、效率高、能量密度高、成本低、需要結合

發電機與熱交換器使用 b、c、d

註：應用情境(a)可攜式電力、(b)村莊與島嶼、(c)社區、(d)再生能源場址、(e)區域性

2013；謝錦隆，2005)。電池或儲能系統技術在 小規模使用時大部分已屬於接近成熟階段，但 是當進行大規模應用時，因其本質特性及串並 聯機制等所衍生之平衡技術、電能管理(Battery Management System, BMS)與周邊運轉等問題，

須再投資更多技術發展才能達到實用性與成熟 度，這些系統之應用情境隨著國家與法規而有 所不同，目前臺灣不見得適合所有電力儲存系 統的應用。

可充放電的二次電池或電容比較不受地 理環境的限制，可以做為行動式或可攜式電 力儲存應用，包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳

氫電池、鋰離子電池與超級電容。其中高能量 密度，且技術成熟的鋰離子電池在各種電力 儲存的應用上最為廣泛。而其他正在發展的液 流電池、鈉硫電池、金屬空氣電池與鋅溴電 池等等，若考量電池儲電系統的安全性、環境 要求、儲電成本與技術成熟度(Banham-Hall et al., 2011；Viswanathan et al., 2012；Sabihuddin et al., 2015)，則釩氧化還原液流電池儲電系統 (Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)將會是 未來頗具潛力的電網級儲電系統之一。釩氧化 還原液流電池儲電系統有著相對較低的儲電與 維護成本。由安全性的觀點，釩氧化還原液流 圖2　 儲能系統之適用範圍、技術成熟度與發展投資關係圖(Sabihuddin et al., 2015；SBC Energy

Institute, 2013；謝錦隆，2005)



電池儲電系統並不會發生爆炸與自燃之危害。

由環境的觀點，釩氧化還原液流電池儲電系統 是藉由電解液的氧化還原反應來進行能量的儲 存與釋放，電解液可憑藉妥善的防護措施使其 對於環境的傷害影響降至最低，能夠達到最適 化性的電力儲存系統應用之必備條件。隨著建 置量的增加將會使電池系統儲電之成本大幅的 下降(日本富士經濟，2014)，電解液若以V2O5

回收原料配製則成本也將大幅降至現有成本的 10%。

本研究中以複合式電力儲存系統做為再生 能源電力儲存的應用。評估條件是假設在未來 臺灣有6%的總電力供應量是來自再生能源以及 現有電力供應裝置均能以基載穩定供電，電力 供給量是在能夠滿足臺灣民生與工業用電所需 的假設前提下，評估複合式電力儲存系統包括 現有的抽蓄水力外，若是以釩氧化還原液流電 池儲電系統技術進行新增設置使用時，在臺灣 的可行性以及其所需的儲電量與場域面積。由 於現階段臺灣風力發電機的建置規模遠高於其 它類型的再生能源，因此，本研究選用以風力 發電做為未來主要的再生能源供應方式進行分 析探討之案例。

2. 釩氧化還原液流電池儲電 系統

2.1 運轉原理

釩氧化還原液流電池儲電系統是一個電化 學反應儲能電池，藉由不同價態釩離子間的氧 化還原反應進行電能的儲存與釋放。釩氧化還 原液流電池儲電系統主要是以電池堆、電解液 槽與泵浦(Pump)及監控模組等所構建而成。藉 由泵浦的運轉帶動釩離子電解液在電池堆中循 環，使不同價態的釩離子電解液進行電荷的轉 移，如圖3所示。電池組是由數個單電池串聯堆 疊而成(如圖4)，藉由增減單電池串聯個數可以 調整釩氧化還原液流電池儲電系統的輸出電壓 (功率)高低。電解液槽中是由不同價態的釩離 子化合物溶於硫酸水溶液中所構成，價態分別 有：二價釩離子(V²⁺ )、三價釩離子(V³⁺ )、四價 釩離子(VO²⁺ )與五價釩離子(VO2+ )。正極端電 解液槽是以四價與五價釩離子成分所組成(顏色 個別為藍色與黃色)，而負極端電解液槽則是以 二價與三價釩離子成分所組成(顏色個別為紫色 與綠色)。藉由泵浦的運轉帶動正、負極端電解

圖3　釩氧化還原液流電池儲電系統運轉示意圖



液在電池堆中進行充放電循環，使電能得以藉 由此機制進行能量的儲存與釋放。

圖4電池組是由數個單電池串聯堆疊而 成，電池中的正、負電極是由多孔的碳氈所組 成。碳氈具有導電功能並且在酸液中相當安 定。釩離子在碳材表面反應速率不高，多孔的 碳氈提供較大的反應表面積並且有適度大小的 孔道讓電解液可以低壓降快速通過。電解液的 主要組成是硫酸與不同價的釩離子。目前隔離 膜使用美國杜邦的Nafion 117。該隔離膜具有質 子交換功能。釩氧化還原液流電池使用它，可 以降低正、負極釩離子交互滲透的程度。

當釩氧化還原液流電池儲電系統進行充放 電反應時，電解液中不同價態的釩離子將進行 氧化還原反應。正極與負極的化學反應分別如 式(1)與式(2)所示。釩氧化還原液流電池儲電系 統全反應的理論電壓為1.26 V。在充電過程時 正、負極電解液中的四、三價釩離子漸漸分別 轉變為五、二價釩離子，而在放電過程時正、

負極電解液中的五、二價釩離子漸漸分別轉變 為四、三價釩離子。因此可藉由釩離子價數的 濃度高低來判別釩氧化還原液流電池儲電系統

充放電狀態。

正極半反應式：

VO²⁺ +H2O↓↑ VO2+ + 2H⁺ + e^–

E0, + = + 1.00 V (1) 負極半反應式：

V³⁺ + e^– ↓↑ V²⁺ E0, – = –0.26V (2) 在上述釩氧化還原液流電池儲電系統化學 反應式中也可由Nernst方程式來表示充放電反 應，如式(3)所示。隨著電池充放電反應的進 行，不同價態釩離子間將會產生氧化還原反應 而造成電解液組成分的改變，進而影響到電池 電壓電量狀態的變化。

(3)

2.2 釩氧化還原液流電池儲電系統 優缺點分析

釩氧化還原液流電池儲電系統為一個電化 學反應儲能電池，相較於其他二次電池(鉛酸電 池、鎳鎘電池、鎳氫電池與鋰離子電池等等…) 圖4　釩氧化還原液流電池儲電系統之電池堆結構組件展開示意圖



E = (E_0,+ E_0, ) +RT

nFln[VO2+][H⁺]²[V²⁺] [VO²⁺][V³⁺]

具有以下優點：

(1) 可彈性設計電池輸出功率。釩氧化還原液流 電池儲電系統輸出電壓的高低，可藉由調整 電池堆中串聯的單電池個數來改變釩氧化還 原液流電池儲電系統輸出電壓的大小，而雙 (單)極板的反應面積也與釩氧化還原液流電 池儲電系統輸出電流成正比，因此也可藉由 增減雙(單)極板反應面積來改變釩氧化還原 液流電池儲電系統輸出電流的多寡。釩氧化 還原液流電池儲電系統的輸出功率可以藉由 單電池串聯數與雙(單)極板面積來調整設計 與擴充。

(2) 可彈性設計電池儲電容量。釩氧化還原液流 電池儲電系統儲電容量的高低，可由電解液 內含釩鹽量的多寡所決定，例如增加電解液 儲槽的體積或者提高電解液的濃度，使電解 液含釩鹽量越多，則系統的儲電容量越高，

反之，則越低。具有可調式的儲電容量設計 與擴充，非常適合大容量分散式儲電的應 用。

(3) 無爆炸與自燃的危險。釩氧化還原液流電池 儲電系統之電解液使用含釩離子的水性溶 液，沒有揮發性或易燃性的化學物質。即便 將正、負極兩端的電解液相混合也無危險，

只是會略為使混合的電解液溫度升高。

(4) 低電池自放電率。由於分離的正、負極電解 液槽設計可長期保存，避免正、負極電解液 相混合產生自放電反應，使得釩氧化還原液 流電池儲電系統具有極低的自放電率。具深 度充放電特性，電解液活性物質均為液相，

不涉及固相反應，有利於長期運轉使用。

(5) 高電池充放電循環壽命。充放電循環壽命可 超過10,000次，電極(碳單、雙極板)本身僅 做觸媒與導電功能，並不參與反應。電化學 反應發生在流經電池堆之水性電解液中。在 妥善的操作條件下運轉，釩氧化還原液流電 池儲電系統具有相當高的循環壽命。

(6) 充放電功率與儲電量可以依需求分別調整。

以定置型儲電系統的應用觀點來看，可調式

的輸出功率與儲電容量設計，使釩氧化還原 液流電池儲電系統具有高自由度的儲電應 用。

(7) 容易偵測電池充電電量。電力的儲存量可以 精確地測量出來，電池的電量可以由電池 開路電壓(OCV, open cell voltage)或者由電解 液之溶液色澤換算出。式(3)顯示電池電壓 隨著電解液組成而變，電池的充放電狀態 (State of Charge, SOC)即可由電壓換算出。

釩離子二、三、四、五價的顏色分別為紫、

綠、藍、黃，隨著電池充放電，電解液組成 改變使得電解液色澤也隨之變化。因此也可 藉由UV-VIS光譜儀等技術觀察電解液色澤 變化，來做為簡單精確地判別電池SOC的方 法。

(8) 環保與安全性高。電池堆關鍵組件主要為碳 氈、石墨複材電極板(碳單、雙極板)與隔離 膜等，均為可以資源回收處理之，電解液揮 發性極低在正確運轉操作與安全防護下之安 全性可以確保，沒有污染排放問題，維護簡 單，運營成本低。不易受到過充與低放的影 響，便利操作運轉。

(9) 電量變動均化性高。正負極之電解液於充放 電後均各自循環進入電解液桶槽中迅速混合 均勻，無一般二次電池因固體電解質反應不 均、或氧化還原逆向產物結構差異性、以及 電池串並聯所引起的嚴重不均勻性問題。流 動性的電解液，使電池堆中各個單電池基本 狀態一致，可靠性高。

(10) 環境穩定性高。具主動的熱管理機制，水 性電解液的大體積及水的大比熱值特性，

使得系統散熱或保溫容易控制，電池的性 能穩定及組件的壽命更長。

(11) 維護成本低。除隔離膜與電解液外，其他 材料價格便宜，來源豐富，不需要貴金屬 作電極(碳單、雙極板)催化劑，成本低。

結構簡單，更換和維修容易，維護工作量 需求小。正負極使用同一種釩離子的電解 液，避免了電解液交叉污染處理問題，提

高了電池的效率和壽命。

(12) 可以同時對系統充電和放電。充放電方式 可以根據不同的應用需求進行調整。可以 同時有一種或多種電源輸入，也可以輸出 多種電壓。例如可以用串聯電池堆的電壓 放電，而在電池堆的另一部分用不同的電 壓進行充電。

(13) 雙極性電極設計避免漏電流的產生。在碳 雙極板設計中，一個單電池的正極同時作 為下一個串聯單電池的負極使用，建立接 觸電阻最小化的高電壓電池堆。正負電極 (碳單、雙極板)共用電解液不會產生漏電 流的現象，同時在放電時，相對較小容量 的單電池會具有反充電作用。

釩氧化還原液流電池儲電系統具有眾多優 點的同時，仍受限於材料與系統的因素產生了 以下幾項缺點尚需改進：

(1) 狹窄操作溫度範圍。電解液中五價釩離子 (VO2+)對熱的穩定性較差，當電解液操作溫 度高於45^oC時會產生五氧化二釩(V2O5)的析 出沉澱。於零下冰點(0^oC)時電解液也沒辦 法運作，因此一般釩氧化還原液流電池儲電 系統運轉溫度都維持在10-40^oC之間，避免 以上的問題產生。

(2) 低能量密度。相較於鋰離子電池的高能量密 度(0.2~0.5 kWh/L)，釩氧化還原液流電池儲 電系統由於釩離子在電解液中最高濃度僅能 達4 M左右，釩氧化還原液流電池儲電系統 之能量密度相對地較低(~0.02 kWh/L)。尚不 適用於移動式或攜帶式儲電的應用。

(3) 強酸腐蝕環境。電解液含有強酸，當釩氧化 還原液流電池儲電系統運轉不當時，在正極 端的石墨碳板(電極)容易受電解液所侵蝕，

造成電池堆的損壞。

(4) 儲電成本偏高。目前釩氧化還原液流電池儲 電系統產量少，各示範運轉多為個別客製化 建置。此外電解液價格昂貴，這些因素造成 整體儲電成本過高。

(5) 監控模組需求。液流電池儲電系統需泵浦驅

動與流量控制器及管路系統才能進行電解液 之循環作用，此部分若失效或耗能將失去儲 電功能。維持液體流動所消耗的功率將降低 系統的能量效率及影響可靠性。

(6) 商用運轉應用之技術與投資待再發展。能量 密度低造成充放電速度慢、電解液體積龐 大，供電端特性與負載端需求之差異會影響 整體系統之效率，在實現商用運轉應用時須 投入待開發的技術必須包括分析組件、系統 在長期穩定運轉的原理、特性與整合，以確 認實驗室樣品和實際產品、技術開發和商業 產品間的差異性與相關性，才能解決實際應 用時所面臨的問題。

(7) 電池堆結構裝封影響。由於電解液通過並聯 管路進入在電路上形成串聯的各單電池流 道，因此各單電池之間形成的漏電流可能會 導致效率的降低。

(8) 感電、氫爆與洩漏問題。畢竟這是一個電力 與化學的集合體，存在感電與化學雙重危害 的問題，到目前為止所有的釩氧化還原液流 電池儲電系統都還沒有經過由政府與任何獨 立測試機構進行任何安全檢測認證作業過，

因此發展與應用時均須特別注意安全防護機 制。氫氣和二氧化碳是充放電時的副產物，

須注意通風與嚴禁煙火以防氫爆。其附屬設 備與傳統電池相比略顯複雜，易發生洩漏，

且增加建置及維護更換成本。

2.3 釩氧化還原液流電池儲電系統 現有示範運轉

過去國內針對具有充放電功能的電力儲存 系統研究主要偏重於小型的鉛酸電池與鋰離子 電池而較少著墨於液流電池儲電系統的研發，

核能研究所於2005年起開始探討儲能系統與再 生能源整合應用之需求(謝錦隆，2005)，並於 2010年起與國立聯合大學合作儲電系統(包括釩 氧化還原液流與二次電池)之特性評估與發展技 術之研究，為實測儲電系統特性與應用發展，

便開始規劃國內首座儲電系統聯合運轉實測展

示區(如圖5)，於2014年起獲得經濟部能源局研 究機構能源科技專案經費補助建置電網級儲能 系統，陸續已建置完成總量為60 kW充放電容 量壽命測試機組與5 kW/20 kWh釩氧化還原液 流電池儲電系統(VRFB)，並整合2 kW太陽光電 發電系統(PV)建置完成行動式供電儲電示範應 用技術(圖5左方)，以及5 kW/10 kWh釩氧化還 原液流電池儲電系統家用型微電網示範運轉系 統，並進行建立儲電系統運轉實測及情境動態 應用研發場區，發展內容與規模均持續在規劃 擴充中，以奠立國內基礎應用與整合技術並建 立產業化利基為目標。除此之外，於2013年，

工研院綠能所接受台電委託，設計並建置一座 1 kW/2 kWh的示範運轉測試平台。工研院將於 2015年完成7 kW/31.5 kWh或7 kW/52.5 kWh的 釩氧化還原液流儲電系統。台電電力綜合研究 所於2012年，由日本住友電工引進一座2 kW/10 kWh的釩氧化還原液流儲電系統。該座儲電系 統儲存屋頂裝置太陽光電的電能，供應屋內冷 氣及其他電器用品使用。

國外VRFB儲能系統的示範驗證案例有許 多件。在歐洲於2004年建置1.1 kW太陽光電發 電/1 kW風力發電/1 kW電池的發電/儲電系統。

加拿大VRB Power公司已在全球12個地點以釩 氧化還原液流電池儲電系統作為風力發電、太 陽光電發電的能源管理或作為商業大樓的備用 電力。美國猶他州設立250 kW，可儲存電量 2,000 kWh的電池作為尖峰/離峰負載平衡。日 本住友電工公司(Sumitomo Electric Industries)在

2000年開始先後設立6座儲電量不同的液流電 池儲電系統在商業大樓(Tokuda et al., 2000)，這 6座的功率/儲電度數分別是450 kW/900 kWh、

100 kW/800 kWh、200 kW/1,600 kWh、170 kW/1,020 kWh、3 MW/1.25 kWh - 1.5 MW/1,500 kWh與30 kW/240 kWh，其他在日本所推動的 釩氧化還原液流電池儲電系統應用實例則陸續 建置中。此外日本與加拿大VRB Power合作在 2007年完成32 MW風力發電廠與4 MW/1.5 h(尖 峰功率6 MW)的液流電池儲電設施。中國大陸 於2009年成立普能科技公司(Prudent Energy)，

該公司後來合併加拿大VRB Power Inc.，成為 一家國際性全釩氧化還原液流電池儲電系統公 司。釩氧化還原液流電池儲電系統也可有效率 地在風力發電系統上應用(Clean Energy, 2005)，

在日本北海道(Hokkaido)所在地的島嶼上建置 了30.6 MW的風力發電廠(Clean Energy)，由於 風力發電機輸出功率的間歇性波動，為了使風 力發電廠輸出功率平穩因而搭配釩氧化還原液 流電池儲電系統，並有規劃地將電能有效率地 使用。Tomamae Wind Villa Power Plant搭配4 MW/1.5 h之釩氧化還原液流電池儲電系統，已 於2005年正式運轉。

日本的住友電工於橫濱(Yokohama)建置 百萬瓦級的儲電系統(Shibata et al., 2013；

Sumitomo Electric, 2012 & 2014)，該電廠結合 了聚焦型太陽光電發電系統(CPV, concentrated photovoltaic solar cell)、天然氣渦輪發電機、以 及釩氧化還原液流電池儲電系統(VRFB)，該廠 圖5　核能研究所儲電系統聯合運轉實測展示區



主要電力來源是由66 kV的市電供應，天然氣發 電機供應廠房尖峰用電，該系統已於2012年7月 正式運轉，如圖6所示。該橫濱太陽光電發電 廠為了有效率地結合釩氧化還原液流電池儲電 系統，搭配能源管理系統(Energy Management System, EMS)妥善地規劃電能使用供給住友電 工於橫濱的工廠。每座液流電池儲電系統配備 正極與負極電解液槽兩座，在每座釩氧化還原 液流電池儲電系統與儲槽下均有漏液槽，確保 電池或電解液儲槽洩漏時，電解液不會外洩到 儲電系統外部。釩氧化還原液流電池儲電系 統最大功率為1 MW，儲電量為5 MWh。這套 CPV發電/VRFB儲電示範運轉是整個橫濱智能 城市計畫(YSCP, Yokohama Smart City Project)的 一部分，住友電工建置這套系統用以展示驗證 所謂的工廠能源管理系統(FEMS, factory energy management system)的開發技術。

除 了 日 本 住 友 電 工 以 及 中 國 大 陸 北 京 普能、大連融科等之外，近年Primus Power (Primus Power網頁)、EnerVault (EnerVault網

頁，Fe-Cr液流電池)、Imergy (Deeya Energy，

Imergy網頁)以及德國Schmid Group (SCHMID Energy Systems網頁)、CellCube結合美國釩業 (American Vanadium網頁)、Schmitz等公司陸續 投入發展液流電池儲電系統在大型儲電方面的 應用。

美國、中國大陸、日本、澳洲與歐洲諸 國之產學研機構對於液流電池儲電系統均投入 相當多的資源進行研究及持續發展電網級儲電 技術與應用。而在國內的行政院原子能委員會 核能研究所、國立聯合大學、台灣電力公司電 力綜合研究所、工業技術研院綠能與環境研究 所、科技部與經濟部能源局等在此領域也陸續 有相關的研究發展與計畫之執行。其中釩氧化 還原液流電池儲電系統在全球雖然有許多大型 儲電示範運轉成功的案例，但是它的充放電效 率、功率密度、價格、操作溫度範圍、運轉與 應用技術發展，甚至能量密度與關鍵組件材料 及結構設計等仍然有許多需要而且有機會再改 進的空間。

圖6　 橫濱百萬瓦級的發電/儲電系統。系統包含1MW/5h的釩氧化還原液流電池儲電系統(Shibata 2013；Sumitomo Electric 2012 & 2014)



由於釩氧化還原液流電池儲電系統是為一 個電化學反應儲能電池，在充放電循環過程中 若有不當的充放電運作則將直接影響到釩氧化 還原液流電池儲電系統效率的好壞。Skyllas- Kazacos & Goh (2012c)、Skyllas-Kazacos等 (2011b)與Zhang等(2011)提出釩離子經由擴散作 用產生自放電現象的發生，以及Hu等(2011)提 出五價釩離子熱穩定性差的原因。由此可發現 穩定的系統運轉技術，可有效地提升釩氧化還 原液流電池儲電系統的效率與壽命，因此搭配 完善的監控與自動化系統可有效地改善釩氧化 還原液流電池儲電系統自放電現象與熱穩定性 低等問題發生。

Skyllas-Kazacos等對液流電池儲電系統 做了很完整的文獻回顧(Skyllas-Kazacos et al., 2011a)，包括各種液流電池儲電系統，尤其是 釩氧化還原液流電池儲電系統。釩氧化還原液 流電池儲電系統是藉由釩離子的氧化還原反應 進行能量的儲存與釋放，電池的操作條件會影 響著釩氧化還原液流電池儲電系統特性的效率 與壽命，為了瞭解釩氧化還原液流電池儲電 系統的運作過程，而有相關的釩電池模型被提 出。Zhang等(2009)提出一個簡單的釩氧化還原 液流電池儲電系統模型，以二維靜態的條件下 模擬電池的運作，Vynnycky (2011)也是以二維 靜態的條件下建構出釩氧化還原液流電池單電 池模型。在非等溫模型建構下，Shah等(2009) 以二維動態條件下建構釩氧化還原液流電池儲 電系統模型，計算釩電池中電流與電位分布。

Skyllas-Kazacos等(2012a & b)建構釩氧化還原液 流電池儲電系統的熱模型，觀察溫度的變動對 釩氧化還原液流電池儲電系統的特性變化。但 這些模型並未由整體系統的運轉狀態來分析釩 氧化還原液流電池儲電系統，除此之外，Shah 等(2008)、You等(2009)、Al-Fetlawi等(2009)、

Ma等(2011)與Qiua等(2012)僅著重在模擬釩氧 化還原液流電池儲電系統內部熱傳、電流分布 與質傳等現象，而尚未在釩氧化還原液流電池 儲電系統應用模擬與計算上搜尋到相關領域之

研究文獻。

3. 運行性評估流程與情境假設

本研究將以(a)簡化的基載電力與風力發 電、(b)儲電系統與(c)臺灣「日用電需求量」

這三個關聯層面進行評估儲電系統在臺灣之可 行性。儲電系統以釩氧化還原液流電池為例，

以風力發電代表再生能源的變化。類似方法可 以應用到其他電池，例如鋰離子電池、鉛酸電 池，以及正在發展的金屬空氣電池等等。太陽 光電的產電變化也可以利用類似方式分析。分 析步驟如下(如圖7之流程)。

3.1 評估方法與流程

(1) 新竹氣象觀測站資訊：每日風力發電的變化 量相當大。風力發電為未來臺灣再生能源發 展的主力之一。它的輸出電能需經過儲電系 統加以調節平順化。本研究假設以釩氧化還 原液流電池儲電系統為例，評估儲電系統在 臺灣運用的可行性。為了評估風力發電機每 日發電量，可藉由風速強弱推算出風力發電 機輸出功率。臺灣各地風場風速隨著時間、

季節有很大的起伏。由於臺灣風力發電機主 要架設在西部沿岸，為了簡化模擬情境，選 取新竹氣象觀測站所觀測的風場風速資訊，

藉由風速大小來評估出風力發電機每日發電 量的變化量。

(2) Enercon E-70/2,300 kW風力發電機：臺灣現 有風力發電機裝置的款式種類眾多，因此本 研究以臺灣現有較具規模的風力發電廠之風 力發電機型號為進行評估的目標，其中以鹿 威與中威風力發電廠的風力發電機裝置容 量較具規模，分別為現今臺灣風力發電廠 裝置容量的冠亞軍，其風力發電機的型號 為Enercon E-70/2,300 kW。藉由新竹氣象觀 測站所觀測到的風速，對照的Enercon E-70/

2,300 kW風力發電機輸出功率曲線圖，即可 計算出風力發電機每日的發電量數值。

(3) 臺灣未來的風力發電機發電量：臺灣現有再 生能源發電量遠低於火力發電與核能發電此 類基載能源供應，因此為了追求能源自主性 的目標，將未來臺灣風力發電機提供的電量 增加到現今總發電量6%的供電能力，藉此 朝向能源自主性的發展目標邁進。

(4) 臺灣電力供需平衡：依據基載能源供應與再 生能源供應所產生的電量，並搭配抽蓄水力 與釩氧化還原液流電池儲電系統(VRFB)聯 合之電力儲存系統進行電量分配與調節，對 臺灣每日用電需求進行電力供需平衡評估，

使基載與再生能源供應、電力儲存系統與臺 灣每日用電需求這三個關聯層面能夠結合在 一起，達到臺灣電力的供需平衡。

(5) 評估風力發電結合複合式電力儲存技術的 可 行 性 ： 藉 由 複 合 式 電 力 儲 存(抽蓄水力 +VRFB)的運用，有效地改善再生能源潛在 不穩定電能供應問題。以臺灣為應用對象進 行估算出複合式電力儲存系統總儲電容量，

並以該儲電容量推算所需新建置之釩氧化還 原液流電池儲電系統規模的大小與場域面積 之需求。

3.2 臺灣每日用電所需

臺灣電力消耗主要可以分成民生與工業兩 區塊，而工業用電佔了主要的用電需求。臺灣 用電需求依用電區塊化可分為：北部、中部、

南部與東部用電。以台電2013.12.02資料而言，

北、中、南與東部的用電分別是783、602、720 與35萬瓩。北部經濟活動較為頻繁導致用電需 求量高，而東部地區大都以民生用電為主，因 此用電量則相對較低的許多。當日尖峰與離峰 供電分別為2,600與1,700萬瓩。每日約有900萬 瓩的變動。

3.3 再生能源電力供應情境來源

現今臺灣再生能源的電力供應主要以風力 發電與太陽光電發電為主。太陽光電每日做周 期性的變化，日間最高發電期間與最高電力負 載期間相符。但是風力發電量隨時而變，有時 夜間發電量較高，比較需要儲電技術來維護電 網的供電品質。因此本研究針對未來風力發電 搭配儲電為研究主題。由於風力發電輸出功率 的高低受限於風速大小以及風場的穩定性，因 此風力發電機架設的地點將影響到發電效率的 圖7　臺灣運行釩氧化還原液流電池儲電系統評估流程



高低。圖8a是臺灣各地於1981-2010年間月平均 風速(中央氣象局網頁)。圖中僅呈現平均風速 最高與較低的資料。彭佳嶼、東吉島與蘭嶼等 離島的平均風速較高。本島各地風速較低。目 前臺灣風力發電機的架設主要以西半部(桃園到 彰化沿海地區)為主，形成此現象的主要因素 是由於有較佳且穩定的風場潛能以及鄰近輸電 線路電網便於電力輸送以及較低的輸電消耗損

失。本研究為簡化分析以西部沿岸中的新竹氣 象觀測站所量測到的風速大小為依據，來做為 評估風力發電機發電量多寡的參考依據，以新 竹2015.05.04-2015.06.03期間每小時平均風速進 行風力發電機發電量實際估算。新竹氣象觀測 站所量測到的風速以圖8b表示(中央氣象局網 頁)。由於選擇的日期以冬季月份為主，因此觀 測站所量測的風向受到季風的影響主要以東北 圖8　 氣象觀測站風速變化(中央氣象局網頁) (a)臺灣各地於1981-2010年間月平均風速，(b)新竹

2015.05.04-2015.06.03期間每小時平均風速。

(a)

(b)



)

)

風向為主，而且圖8a與8b中可以觀察出風速的 起伏變化有相當顯著的不確定性，此一特性因 素深深影響到風力發電併入電網應用時的功率 浮動問題。

臺灣現今風力發電廠以鹿威與中威規模較 為龐大，其風場所架設的風力發電機以Enercon 所製造的E-70/2,300 kW機型為主，此款式的風 力發電機在不同風速下風力發電機輸出功率變 化如圖9所示(Enercon網頁)。由該圖可觀察出 此款風力發電機需在一定的風速下才可啟動進 行發電，然而在過高的風速下受限於機組的承 受能力與安全性考量，會以定功率輸出做為保 護，因此在功率係數最高的條件下，風力發電 機將會有最佳的輸出效率。本研究以Enercon 所製造的E-70/2,300 kW風力發電機特性做為模 擬計算基礎。風力發電機輸出功率(P)是風速 (V)、風力發電機迎風截面積(A)、空氣密度(ρ) 等等的函數。它可以由式(4)計算出來。

P=(1/2)ρACp V³, P = 2,310 kW

(if V > 16 m s^-1) (4) 該款風機保護裝置使得風速在16 m s^-1以上，

即保持固定風力發電機輸出功率在2,310 kW。

其中Cp是風力發電機功率係數，它是風速的函 數。本研究以式(5)回歸分析方法計算。

Cp =

Σ

計算所用C0-C5的Cp值迴歸係數分別是-0.1539、

0.156、-5.8×10^-3、-7.8×10^-4、5.42 ×10^-5、-9.27

×10^-7。氣象所觀測到的是在地面(H0 = 1 m)的風 速(V0)。風力發電機設置在離地面50 m (H = 50 m)的位置，在風力發電機高度所感測到的風速 (V)可以下式(Wind profile power law)，α~1/7，

做粗略的估算。

(6) 圖9中風力發電機輸出功率(P)曲線與功率係數 (Cp)曲線便是分別由式4與式5計算出來。

4. 結果與討論

4.1 臺灣風力發電評估

從風速的大小對風力發電機輸出功率的影



H₀

響上觀察，由於不同機型款式的風力發電機有 著不同啟動風速與過大風速限制保護，在過低 的風速下將無法進行啟動發電，而在過高的風 速下也會有功率限制與風力發電機保護措施。

由新竹氣象觀測站所量測的風速下(圖8b)，對 應Enercon所製造的E-70/2,300 kW風力發電機對 應風速下之功率輸出(圖10)計算出該風力發電 機單機輸出功率如圖10所示。這代表每日風機 的發電量會有數百kW的起伏變化量。在不同的 地域或月份，彭佳嶼、臺中、新竹會有顯著的 不同變化。本研究僅以新竹為例，簡化分析。

將圖10風力發電機單機輸出功率計算值進行統 計分析，可以得到每日E-70/2,300 kW風力發電 機的累積發電量。

4.2 臺灣電力供需評估

為了有效改善風力發電輸出功率不穩定的 影響，與電力儲存系統的結合將能有效地達到 平穩輸出功率的成效，使之能夠直接併入電網 使用。臺灣每日的用電功率消耗(Pconsume)隨時間 而變動，如圖11所示(包含工作日與假日)。上

午5時開始，用電量隨著時間持續攀升，到中 午達到高峰。12:00-13:00午休時間，用電量略 減。13:00以後維持用電高峰，到17:00-19:00下 班與晚餐時段用電達全日最高峰，以後用電量 持續遞減。00:00-05:00深夜凌晨時段用電量最 低。平常的工作日基本上用電量差異不大，然 而假日的用電功率與工作日相比則明顯銳減了 許多，此現象的形成與人民生活作息行為有所 關聯，而產生相異的功率消耗量。用電量隨著 每一工作日與假日而有所不同之外，夏日時冷 氣機使用量是造成年度用電尖峰量的來源，在 冬日時則用電量便較為低。

本研究中以臺灣「每日最大用電需求量」

為參考之基準，假設以圖11中之2013年12月 13日訂定為臺灣「日最大用電需求量」之參 考基準，其當天的總用電消耗量(Etotal)約為546 GWh (Etotal =∫0 Pconsumedt)。這只是為了計算分 析方便，真正計算需要分析一年365天，為期 10年以上的數據較具代表性。本研究假設電力 供應的主要來源可分成基載能源供應與再生能 源供應。基載能源供應包含了火力發電與核能

圖10　E-70/2,300 kW風力發電機單機輸出功率計算值



發電，此類型式的發電設施能夠穩定地供應電 力，不受環境氣候等因素而有所限制。假設降 低此基載能源供應量，而以風力發電替補其與

「日最大用電需求量」實際需求消耗所不足之 量，進行情境分析。

假設整個電力系統的基載電源供應是呈現 穩定持平的功率輸出。風力發電機總發電量以 臺灣「日總用電消耗量」(「日最大用電需求

量」) (Etotal)的6%作為未來「日風力發電機總發

電量」(Ewind)，並以圖10之西元2013年11月17日 風力發電機當天發電變化量曲線做為參考之基 準，計算風力發電機每日發電功率。

日總用電消耗量(日最大用電需求量)，Etotal

Etotal = 2013年12月13日當天用電量總和

Etotal = ∫0 Pconsume dt = 546 GWh (7)

日風力發電機總發電量，Ewind

Ewind = Etotal × 6% = 32.7 GWh (8)

日基載電力供應量，Ebase

Ebase = Etotal - Ewind = 513 GWh (9)

每時段基載功率輸出，Pbase

Pbase = Ebase ÷ 24 h = 21.4 GW (10)

圖12為在無電力儲存設施下，每日電力 供需情形。該圖中包括臺灣「日用電消耗功

率」(Pconsume, Power Consumed)，「日基載供

電功率」(Pbase, Power Plant Generated)與風力 發電機輸出功率(Pwind, Wind Turbine Generated) 隨 時 間 的 變 化 。 臺 灣 「 日 用 電 消 耗 功 率 」

(Pconsume, Power Consumed)是直接選取圖11中之

2013/12/13工作日的曲線。每時段基載功率輸 出，Pbase由式9計算出。「日風力發電機輸出功 率」，Pwind則是以圖8中之2013/11/17風速與圖9 之Enercon E-70/2,300 kW風力發電機特性曲線 計算出，但是「日風力發電機總發電量」(Ewind) 須符合式(11)設定的上限要求。

Ewind=∫0 Pwind dt = 32.7 GWh (11) 由圖12顯示即使「日基載電力供應量」

(Ebase)與「日風力發電機總發電量」(Ewind)符合

「日總用電消耗量」(Etotal)，但是在每時段供 電功率無法與耗電功率相匹配(如圖12上方)。

例如，午夜到凌晨時段即使風力發電機停機不

 圖11　臺灣每日用電需求

運轉，「日基載功率」(Power Plant Generated) 之 輸 出 量 已 超 過 「 日 用 電 消 耗 功 率(P ow er Consumed)」之需求量。早上09:00-10:00或 17:00-22:00晚間時段則用電消耗功率降低，如 圖13在未加入適量電力儲存系統時擬欲維持電 網供電平衡之二大策略為(a)當風力發電機加上 基載輸出之功率量高於用電消耗功率量時，風 力發電機必須進行停機或基載機組必須降載，

包括(i)風力發電機停機加上降載、(ii)僅風力發 電機停機或(iii)僅降載；(b)當風力發電機加上 基載輸出之功率量低於用電消耗功率量時，則 需(iv)啟動備載機組。

4.3 臺灣電力系統結合釩氧化還原 液流電池儲電系統評估

若圖12的臺灣每日電力供需情況不以發 電備載機組進行昇載、降載予以平衡電網，而 是以電力儲存系統作為電網電能供需的緩衝機 制之設施時，則所需要之合理的儲電量應將是 為何？本節將臺灣每日用電供應需求劃分成三 部分：基載功率輸出、風力發電機輸出功率以 及為達電網供需平衡所需的電力儲存系統之充 放電功率量，如圖14所示。藍色的曲線為臺灣 每日用電消耗功率(Pconsume, Power Consumed)，

其包含了民生用電與工業用電所需。綠色的線 圖12　 假設風力發電機供應6%的電能，基載機組穩定供應94%的電能情境下，臺灣每日電力供需情

況。^

 圖13　未加入適量電力儲存系統時擬欲維持電網供電平衡之策略

條為基載功率輸出(P, Power Plant Generated)，

為臺灣主要的能源供應端包含了火力發電與 核能發電。紅色的曲線為基載功率輸出加上 風力發電機輸出功率(Wind Turbine & Power Plant Generated)。圖14顯示紅色曲線與藍色曲 線無法吻合，代表即使基載電力供應量(Ebase)與 風力發電機總發電量(Ewind)符合總用電消耗量

(Etotal)，每時段供電功率量無法與耗電功率量相

匹配。其間的差值即代表可以藉由電力儲存系 統的儲(供)電(能)或充放電方式來平衡的需求 量。計算結果如圖14下方紫色曲線部分(Energy Stored System)即為所需之電力儲存系統的電量

(Ebattery)。午夜到清晨時段(01:00-08:00)與中午時

段(10:00-14:00)，基載與風力發電機總輸出功 率量(Pbase+Pwind)大於用電消耗功率量(Pconsume)。

因 此 多 餘 的 電 力 儲 存 到 電 力 儲 存 系 統 中

(Pbattery)，電力儲存系統儲電量(Ebattery，GWh)隨

著時間上升。早晨時段(09:00-10:00)或晚間時 段(17:00-22:00)，基載與風力發電機總輸出功 率量(Pbase+Pwind)小於用電消耗功率量(Pconsume)，

電力儲存系統釋放電能到電網中，電力儲存系

統儲電量(Ebattery，GWh)隨著時間下降。因此電

力儲存系統之充放電功率(Pbattery)隨時維持電網 供需電的平衡，如式(12)所示。

Pbattery = (Pbase + Pwind) ‒ Pconsume (12)

上述電力儲存系統充放電功率(Pbattery)隨時

間而變，Pbattery > 0時為充電，Pbattery < 0時為放

電(如圖15)。電力儲存系統儲電能量(Ebattery， GWh)與電力儲存系統充放電功率(Pbattery)如式 (12)所示，Ebattery隨時間的變化亦繪於圖14下方 紫色曲線部分。

Ebattery=∫0 Pbattery dt (13)

在圖14中由抽蓄水力與釩氧化還原液流電 池聯合之複合式電力儲存系統來平衡電網電能 的供應與消耗，於離峰期間(Pbattery > 0)將生產過 剩的電能藉由抽蓄水力與釩氧化還原液流電池 聯合儲電系統進行能量的儲存，並於尖峰期間

(Pbattery < 0)提取出所儲存的電能進行輔助的電力

供應。此種機制不僅能有規劃地將能源分配使 用，而且能夠有效地降低發電備載機組所需額 定功率，減輕必要之輸配電等調度作業，進而 減少發電備載系統的建置成本。由圖14中可判 斷出電力儲存系統所需的最大儲電容量約為20 GWh。臺灣現有的電力儲電系統以抽蓄水力儲 電為主。依據台灣電力公司102年發電資訊統 計(台電網頁)，抽蓄水力的年發電量佔102年總 發電量的1.5%，藉此估算出抽蓄水力的每日發 電多寡如式(13-15)所示。將前述電力儲存系統 所需的儲電容量扣除抽蓄水力每日發電量可得

 圖14　臺灣電力系統結合複合式電力儲存技術之供需平衡

釩氧化還原液流電池儲電系統(VRFB)系統每日 所需儲電容量如式(16-17)所示，並藉由此結果 估算出釩氧化還原液流電池儲電系統(VRFB)規 模。

102年抽蓄水力年發電量 = 102年總發電量

× 抽蓄水力發電量百分比 (14)

抽蓄水力年發電量 = 213.4 TWh × 1.5% = 3.201 TWh (15)

102年抽蓄水力每日發電量 = 抽蓄水力年 發電量 ÷ 365 = 8.8 GWh (16)

VRFB每日儲電容量 = 每日所需儲電容量 – 抽蓄水力每日發電量 (17)

VRFB每日儲電容量 = 20 GWh – 8.8 GWh = 11.2 GWh (18) 從 上 述 釩 氧 化 還 原 液 流 電 池 儲 電 系 統 (VRFB)每日所需儲電容量來估算出該儲電系統 的規模大小，藉由研究中所得釩氧化還原液流 電池儲電系統(VRFB)能量密度約為30 Wh/L為 評估標準，估算出VRFB儲電系統所需體積多 寡如式(19)所示。假定盛裝釩氧化還原液流電 池儲電系統之電解液儲槽所佔高度為3公尺，

而建置11.2 GWh VRFB電池系統所需面積如式 (20)所示，需要0.124 km² (12.43公頃)。現有日 月潭面積約8 km²，明潭水庫滿水位面積為827 公頃(經濟部水利署，2015)，釩氧化還原液流 電池儲電系統所需面積是日月潭抽蓄水力儲電 所需面積的1.5% 或是12.5公頃相當於滿水位面 積之仁義潭水庫。由結果中釩氧化還原液流電 池儲電系統所佔有面積與臺灣主要水庫滿水位 面積相對比例來分析，11.2 GWh釩氧化還原液 流電池儲電系統的建置規模並不會嚴重佔據臺 灣現有土地面積，而且該儲電系統可劃分成數 個區塊個別建置使得土地運用能有效地分配，

與開發抽蓄水力儲電所需之發電機組裝置量與 水庫所需面積及環境影響相比較，所需面積規 模已相對更小、實現之機會更大。

VRFB儲電系統所需體積

= VRFB每日儲電容量 ÷ VRFB能量密度

= 11.2 GWh ÷ 30 Wh/L

= 3.73 × 10⁸ L = 3.73 × 10⁵ m³ (19)

VRFB儲電系統所需面積

= VRFB儲電系統所需體積 ÷ 儲電系統高度

= 3.73 × 10⁵ m³ ÷ 3 m

=1.243 × 10⁵ m² = 0.1243 km² (12.43公頃)

(20)

圖15　電網電能供需與電池充放電相關圖



儲電功率與容量3.7 GW/11.2 GWh釩氧化 還原液流電池儲電系統為一個大型的電力儲存 系統，如果以抽蓄水力作為儲電系統，則需要 額外等同其提供每日發電量(8.8 GWh)來源之日 月潭、明德、明潭水庫等的發電機組裝置量與 土地資源合計高達997公頃之水庫滿水位面積等 1.3倍需求量。這將面臨到環境、地點選擇與儲 電系統佔有面積問題。因此在電力儲存系統以 定置型釩氧化還原液流電池儲電系統或其他長 效儲電(能)系統(壽命在10年以上)對臺灣土地資 源的衝擊不會很大。此外這些電池可以裝置在 地下廢棄坑洞中，對於地面資源與生態影響將 可以降到最小程度。

5. 結　　論

在臺灣運行電力儲存系統的評估中，面 對逐年成長設置的再生能源，電力儲存系統的 建置將必須面臨考量與大量的使用。於本研究 評估中，若風力發電達6%的總電力供應量，

必須加入電力儲存系統做為調節機制，才能穩 定電網並平衡供需，在扣除臺灣現有抽蓄水力 儲電系統所能供應的儲電量後，仍需建置3.7 GW/11.2 GWh的儲電容量。假設以類似移動 式水庫之電力儲存系統的釩氧化還原液流電池 儲電系統作為臺灣擬新增建置之大型的電網級 儲電系統的應用時，則該儲電系統所需的面積 約為12.43公頃。面對土地面積狹窄的臺灣，

釩氧化還原液流電池儲電系統能夠擁有更多 的場域使用空間，可劃分成數個區塊個別建置 使得土地運用能有效地分配，與開發抽蓄水力 儲電所需之水庫面積相比較，此面積規模已相 對更小。而且富有特色的輸出功率與儲電容量 設計，使其適合於不同規模的電力儲存應用。

除了釩氧化還原液流電池儲電系統之外，其他 各種儲能系統依其特性可以應用在不同的電力 儲存場合，本研究以聯合現有的抽蓄水力與擬 新建置之釩氧化還原液流電池二種電力儲存系 統，整合成未來臺灣之電網級儲能之複合式應

用，即結合機械(物理)儲能之快速與大量儲供 電，以及化學儲能之穩定與長效儲供電的個別 具有的儲電特性，除了提供有效地改善再生能 源功率浮動輸出的問題外，也能發揮與各種用 電時段需求差異之供電能力，具備可調峰(提 供電量平衡)又可調頻(提供功率平衡)的雙重優 勢。太陽光電與其他儲電系統的評估也可以使 用類似方法進行。

目前釩氧化還原液流電池儲電系統成本偏 高，依據日本富士經濟(2014)評估在2012年裝 置成本約為78,000 NTD/kWh，到2025年時成 本將會降至10,400 NTD/kWh。Kear等(2011)、

Ha and Gallagher (2015)與Crawford等(2015)也開 始針對這儲能系統進行成本分析。若以該電力 儲存系統至少可以長達10年到15年之運轉使用 壽命來估算平均每度之儲電成本時則將會降到 2.8~1.9 NTD/kWh cycle。此外因液流電池所需 空間遠較抽蓄水力發電為小，它的土地成本與 環評成本應遠較抽蓄水力發電為低。臺灣目前 住宅與工業電價(經濟部能源局，2011)分別為 2.9 NTD/kWh與2.3 NTD/kWh。因此以每度成 本相對比較，釩氧化還原液流電池儲電系統在 未來的應用潛力機會將會很大。而在近期內，

釩氧化還原液流電池儲電系統在高電價國家 如德國(10.3/4.3 NTD/kWh，住宅/工業)、丹麥 (11.3/4.6)與日本(7.3/4.9)的裝置誘因會高很多，

將有利於產業化並對於技術與應用經驗的累積 將愈趨成熟。

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Scenario Modeling of Wind Power with Flow Battery System for Energy Storage Application in Taiwan

Chin-Lung Hsieh

Kan-Lin Hsueh

Yue-Lin Jhong

Chih-Yang Dai

ABSTRACT

Extensive consumption of fossil fuels cause excessive congestion of energy supplies and price volatility that usually affects economic growth, worsening the greenhouse effect, and even threatening to human life. Therefore, to have a stable energy supply, sustainable energy development, minimizing risk, onemustpromoteenergydiversification.Thedevelopmentofshiftingaportionfossilsfuelstonewand

renewable energy (photovoltaic and wind power) will be one of the options. When largely increasing the renewable energy, the renewable energy connected to the power grid must be coupled with corresponding energystoragetechnologies.Thisisnotonlyeffectivelyimprovingthepowerfloatproblembutalsocan

bemoreefficientmanagementofpoweroutputcapacity.Vanadiumredoxflowbattery(VRFB)hasmany

unique characteristics as compared to the other energy storage systems, for example, low maintenance costs, low environmental impact, high safety, scalability, high capacity, and long life cycles. The power and capacityofVRFBisde-coupled.ThismakestheVRFBsystemdesignmoreflexibleandsuitableforvarious

electricitystorageapplications.Atpresent,thisbatterystoragehaslowefficiencyandlowenergydensity.

With continuous development for large-scale electricity storage. VRFB technology has been gradually improved. In this study, we appraise the requirement and solution of energy storage systems by considering base load power supplies, wind power, VRFB, and Taiwan daily electricity demand. The required storage capacity was estimated under the scenario that wind power were accounted for 6% of the total electricity supply in Taiwan. Wind power reduces the total amount of base load supply. Maximum daily demanded electricity was partially substituted with wind power. The power generated from wind turbines was calculated from the characteristics of existing large-scale wind power plants and from weather data in Hsinchu coastal area. Calculated results suggested that additional 11.2 GWh was needed from the battery besides existing pumped hydro storage capacity. If the VRFB was selected as the electric power storage systems, it requires 12.43 hectares of storage areas. The battery storage system has less environmental impact and land requirements than pumped hydro storage.

Keywords:

Received Date: March 5, 2015 Revised Date: September 10, 2015 Accepted Date: October 20, 2015

1 Associate Researcher, Institute of Nuclear Energy Research (INER), Atomic Energy Council, Executive Yuan

2 Associate Professor, Dept. of Energy Engineering, National United University

3 Engineer, Carbide International Co. Ltd.

* Corresponding Author, Phone: +886-37-382387, E-mail: [email protected]