〈工業技術與資訊〉分散式能源崛起 -
透過「虛擬電廠」整合再生能源、儲能設備、備援電力等分散式能源，已成為能源管理新顯學（09/26/2021 鉅亨網新聞）
逐年攀升的尖峰負載，讓臺灣的能源使用規劃，成為各方焦點。跳脫興建更多電廠的思維，透過「虛擬電廠」，整合再生能源、儲能設備、備援電力等分散式能源，已成為能源管理新顯學。隨著再生能源占比逐步升高，為了解決供電間歇性的問題，能長時間儲存電力的「液流電池」也備受關注。
數 10 年來，臺灣傳統電力供應以大型電廠為主，想要解決尖峰用電問題，除了蓋電廠外，是否還有更省成本、更有效率的解方？
攤開臺灣的用電分布，若以 1 年 8,760 小時來看，臺灣每年用電最多的 200 個小時，對於電力系統產生的額外需求大約為 2GW，相當於年度用電尖峰的 5%，且大多集中在夏季。工研院綠能與環境研究所組長梁佩芳認為，若要持續蓋電廠，得先思考 2 個問題：一是電廠投資大、建廠時間久，還會面臨環保抗爭行動；二是只為了每年 200 小時的尖峰需求興建新電廠，似乎也不太符合投資效益。
其實除了大型電廠之外，民間也暗藏不少中小型的電力資源，像是散落在企業、工廠、住家裡的太陽能、風力、儲能設備、備援發電機、UPS 系統和電動車等。隨著供電挑戰愈來愈大，未來必須要更加靈活善用這些電力資源。「虛擬電廠」概念應運而生，「就是將分散式的中小型資源聚合起來，變成可靠的電力供應來源，就像一個可受控制的電廠。」
用戶代理人扮演關鍵角色
當傳統以大型機組為主的集中式電力系統，走向分散式電力系統後，原先單純做為電力的消費者，同時也轉為電力供給的產銷者。正因為聚集了各種不同類型的用戶參與，虛擬電廠有著更大的調度彈性，能在短時間內提供尖峰負載電力，也能為電力公司提供輔助服務。
相比過去台電控制大電廠，只要一個指令；當眾多小資源集結時，該如何有效管理就成了關鍵。這造就一個角色興起，也就是所謂的「聚合者」或「用戶代理人」（Aggregator），「他必須聚合用戶資源，就像一個統一窗口，去台電或電力市場報價，未來代理人會是新的商機。」
「虛擬電廠有很多不同機制，有些可以做出一桌菜，有些就是很專業的一道菜，不同公司的營運策略都不一樣。」梁佩芳表示，目前虛擬電廠在國際已有不少成功案例，以全球知名的德國公司 Next Kraftwerke 來說，旗下聚合超過 1 萬個用戶，裝置容量達 8GW 以上，並依據用戶特性，設計不同方案，有些投入電力交易市場，有些則投入輔助服務市場；特斯拉（Tesla）也在加州聚集旗下家用儲能設備 Powerwall 的用戶，向電力公司提供電網服務，當加州電力不夠時，便控制電池放電。
滿足五大條件 虛擬電廠商機可期
梁佩芳認為，虛擬電廠必須具備 5 項條件才能發揮其優勢。第一是 ICT 的基礎建設，為了讓代理人清楚掌握每個參與者的狀況，需要導入智慧電表等 ICT 應用，才能即時掌握數據。
第二是預測。代理人需了解電力系統狀況，進行負載預測，事先讓參與者知道未來幾天的用電趨勢，讓用戶有心理準備，提高用戶的參與意願，不至於突然收到斷線通知，措手不及。
第三是打造客製化方案。因應不同參與者的特性，客製化電力的供應狀態，而非所有人一體適用的規則，甚至是調整用戶的生產行為。比如台電大多在下午 1 點到 3 點的尖峰時間，要求降低用電，或許就能和工廠討論改變生產排程。
第四是對市場的了解。代理人需對市場敏銳，針對用戶屬性，細分成不同群體，參與市場上的不同計畫。台電現已要求，未來代理人參與電力市場，必須取得「合格排程者」（Qualified Scheduling Entity；QSE）的資格，代表代理人對市場有基本了解。
第五是決策技術。如何安排出最妥適的方法，讓參與者的成本降低，在電力市場獲得比較高的回報；同時也要有預先準備，當執行期間發生意外的話，如何啟動緊急機制，這些都需要依賴精密的排程決策。
雖然目前臺灣的虛擬電廠概念在仍在起步階段，代理人角色也仍舊偏少，但可以預期，台電的電力交易平台正式上線後，「臺灣的市場就會打開，未來參與電力市場服務會比以前更加自由、開放，只要聚合資源就能去交易，許多業者都在準備，商機可期。」
四大優勢 液流電池成儲能新星
在分散式能源系統中，再生能源和儲能設備不僅是其中的重要一環，兩者也有高度相關。隨著再生能源的占比逐漸增加，面對「看天吃飯」的間歇特性，更需要長時間的儲能設備，才能 24 小時供應綠電，而安全性更高、儲能時間又長的「液流電池」開始受到關注。
工研院綠能所組長張文昇指出，液流電池顧名思義「就是電池裡有液體流動」。液流電池包含 2 個大型的電解液桶槽，內含可儲存電力的活性物質，將電解液以管線輸送到中央元件，稱其為「電堆」。當需要充放電時，便透過泵浦將液體輸送至電堆，產生電子轉移，以此進行放電或儲電。根據電池種類不同，液流電池可使用多種不同金屬元素組成，目前最成熟的便是採用釩離子的液流電池系統。
比起傳統鋰電池，液流電池具備更多優勢。第一是安全，挑選電池首重安全考量，用水溶液安全性高，無爆炸跟自燃風險。第二是設計更有彈性，由於能量是儲存在液體裡，桶槽愈大，能提供的能量就愈多，根據不同應用情境，只要增加桶槽與電解液，儲存的能量與時間就能更多、更久。
第三是使用壽命長，深度充放電循環可超過 2 萬次，至少用 20 年沒問題，平均儲能成本攤提下來，在長時間儲存上比鋰電池更划算。第四活性物質在液體裡容易回收，即使電池長期使用後，裡頭的有價金屬也不耗損。
「液流電池屬於長跑型的選手，潛力上就是適合做連續長時間的放電和儲存，」張文昇說。這也是為什麼液流電池特別適合作為長時間儲能用途，面對間歇性的再生能源，可將綠電安全、穩定的儲存起來，扮演重要的調節角色。
由於能量是儲存在液體裡，桶槽愈大，能提供的能量就愈多，根據不同應用情境，只要增加桶槽與電解液，儲存的能量與時間就能更多、更久。
打造電堆 2 倍功率 創國際領先水準
早在 2008 年，工研院便意識到儲能會是未來電力系統的要角，率先進行小型的前瞻計畫，評估各種不同的儲能方法。直到 2017 年正式投入，在沙崙綠能科技示範場域打造液流電池系統。
張文昇指出，液流電池有幾個研發關鍵。第一也是最重要的，便是位於中央位置的電堆，「電池所有的功率跟充放電效率，都在那裡決定。」第二是電解液性質，由於活性物質儲存在液體裡，就像泡咖啡，水加太少，底部就會有很多顆粒沉澱，若能在相同體積中，溶解更多活性物質，就能儲存更多能量。第三是系統整合介面，如何讓液體流動的最好、耗電最低，牽涉到系統設計問題。
工研院在電堆上花最多心思，除了在結構設計面讓能源效率最大化，材料也經過最適化調整，比起市面上相同體積的電堆，工研院可輸出 2 倍以上的功率，居於國際領先水準。
應用範圍廣 積極導入產業
目前工研院已在沙崙打造一套 200 度電的儲能系統，近似於 2 萬顆手機電池的容量。未來沙崙場域希望可以達到電力自給自足達 50% 的程度，儲能系統能調節尖峰負載，也能支援夜間用電，甚至在停電時做為緊急備援電力。
工研院也將此套系統投入產業使用。工研院綠能所總監楊昌中指出，2019 年，工研院和中油攜手打造首座多元電力供應及儲能系統的智慧加油站「臺南前鋒路示範站」。因應未來的電車趨勢，中油率先啟動轉型，著手布建百分百使用再生能源的全綠能站體，提供加油站本身與電動機車充換電需求，其中的儲能系統便是採用安全性更高的釩液流電池。
今年 1 月，政府也通過「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」，俗稱「用電大戶」條款，規範契約容量 5,000kW 以上的用戶，必須在 5 年內設置契約容量 10% 的再生能源，而液流電池也很適合推展至工業區和住商大樓。
除了國內的產業化進度外，目前也有國際電池材料公司，委託工研院進行測試工作，顯示技術已被國際認可。工研院也積極將技術技轉給臺灣電池和儲能業者，「透過扶植臺灣有潛力的廠商，讓此技術做到電堆百分之百 MIT，」楊昌中說。在分散式能源和再生能源的發展下，工研院持續以扎實技術力，協助臺灣迎接能源新時代。
完整內容請見：
https://news.cnyes.com/news/id/4729870
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極性溶解度 在 Re: [學科] 有機酯類極性水溶- 看板Chemistry 的推薦與評價
※ 引述《remann (瑞曼)》之銘言：
: 一本有機課本提到
: 酯類也是極性物質......。
: 大部分的酯類不溶於水，卻可溶於乙醚、丙酮等極性的有機溶劑中。
: ~~~~~~
: 想請教的是，剛開始學的"極性分子易溶於極性溶劑,非極性分子易溶劑非極性溶劑"
: 是不是有些地方修正。
: 或者是說 酯類還不夠有極性?
: 能否提供我幾個關鍵字眼去尋找
一個分子如果有"極性官能基",就通常被稱為"極性分子",
極性官能基指的是具有高度極化的共價鍵,如OH基,C=O基,NH2基...等.
一個有機分子中通常含有極性與非極性的部分,
例如:正丁醇
↓右邊的羥基是極性的
CH3-CH2-CH2-CH2-OH
↑
左邊的烷基是非極性的
而一個有機物在水中溶解度的大小,與極性/非極性部分的比例有很大的關係.
極性部分因為與水有氫鍵等作用力,又稱親水端,
非極性部分與水的作用力低,因此在水中趨向利用分散力聚集在一起,又稱疏水端.
以醇類為例,以下僅考慮具有一個OH基在1號碳的直鏈一元醇:
醇類 溶解度(g/100g水@25℃)
甲醇 無限
乙醇 無限
丙醇 無限
丁醇 6.3
戊醇 2.7
己醇 0.59
庚醇 0.1
雖然所有上述的醇類都具有同樣的一個OH基,
但當碳數增加,因為非極性的部分(疏水端)增大了,
疏水端面積增加使彼此間作用力增大,而使形成水溶液在能量上更為不利,
故在水中的溶解度也逐漸降低.
若在同樣碳數下,將OH基的數量增加,親水端比例增加了,
溶解度也會增加,如戊醇微溶於水,但戊五醇(其一異構物又稱木糖醇),
在水中溶解度很大,跟砂糖差不多.
又如聚乙烯醇,分子式[CH2-CH(OH)]n,
雖然是聚合物,分子量非常大,但因每兩個碳就有一個OH基,
故在水中溶解度亦大(一般勞作用的膠水就是聚乙烯醇的水溶液)!
要判斷具有一個極性官能基的簡單直鏈有機化合物溶於水與否,
有個簡單的法則--大致上以碳數=4為分界,少者易溶,多者難溶.
可由以下的溶解度表看出趨勢:
C數\溶解度\分類 1-醇類 1-醛類 2-酮類 羧酸 1-胺類
1 無限 無限 n/a 無限 無限
2 無限 無限 n/a 無限 無限
3 無限 20 無限 無限 無限
4 6.3 7 29 無限 (易溶)
5 2.7 1.4 6 5 (易溶)
6 0.59 0.6 1.4 0.92 1.2
7 0.1 0.13 0.43 2.8* 微溶
*羧酸類在水中的溶解度有呈鋸齒狀的趨勢,與晶格排列緊密度有關,在此就不詳述.
而同樣碳數下,若支鏈增加,會使分子非極性部分的表面積降低,
使得溶解度高於直鏈的異構物.
以丁醇為例:
異構物 溶解度
1-丁醇(正丁醇) 6.3
2-丁醇(第二丁醇) 12.5
2-甲基-1-丙醇(異丁醇) 9.5
2-甲基-2-丙醇(第三丁醇) 無限
因此"酯類難溶於水"這句話僅限於"四個碳以上的(單)酯",
因為酯基-(C=O)-O-也是個極性的官能基,碳數在4以下的酯類易溶於水:
碳數 酯類(代表例) 溶解度
2 甲酸甲酯 30
3 甲酸乙酯 10
乙酸甲酯 32
4 乙酸乙酯 8.3
5 乙酸丙酯 2
6 乙酸丁酯 0.83
而當非極性部分增大,溶解度也就降低,
例如油脂類也屬於酯類,還具有三個酯基,
但因非極性部分太大(以三硬脂酸甘油酯為例,有57個碳),
相較之下3個極性的酯基只佔了非常小的部分,故油脂不溶於水.
同樣的道理,在萃取實驗中可能會帶給許多人"醚類難溶於水"的印象,
但實際上醚基(R-O-R')可與水形成氫鍵,也是極性的官能基,
故碳數低於四的醚類(甲醚、甲乙醚)在水中溶解度其實很高.
總歸一句話,一個有機物水溶性的大小,與極性官能基的"數量"沒有絕對的關係,
而與極性官能基"佔整個分子的比例"關係較大.
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