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

ARPA-E能源儲存基金研究計畫本篇綜覽美國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ARPA-E贊助在儲能範疇裡的技術系分別由BEESTGRIDSHEATS(DurationAdditiontoelectricitYStorage技術類別；DAYS獎助方案的公告規範10DAYS為當今最具展望的液流電池技DAYS或減少解液與隔離膜的接觸，阻斷或減少Pup的能耗。ARPA-EARPA-E(AdvancedResearchProjectsAgency–Energy)是美國政府瞻前國家未來能究發展。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。“從匯集圈中崛起：為美國帶來更美好的經濟未來(RisingAbovetheStorm:EnergizingandEmployingAmericaforaBrighterEconomicFuture)”的報告構思出來。2007年正式依照國會授權的AmericaCOMPETESAct,在美國能源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620091.5337個計畫，主要範疇可歸類為有(1)再生能源技術系列(Renewableenergytechnologies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(energyefficiencytechnologies)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(energystoragetechnologies)包括超級電容(ultracapacitor),lithium-ionbatteries)、金屬空氣電池(metal-airbatteries)、熔鹽鈉電池liquidsodiumbatteries)、液態金屬金屬電池(liquidmetalbatteries)；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（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20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2009年技術尚未分類、2010年BEEST、2010GRIDS、2011年2014年REBELS等技術分衍伸至最近2018年獎助的DAYS(DurationAdditiontoelectricitYStorage)技術，其中需求重點與規範的演化，正顯示美國展望後續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SC查知。APAR-E先前贊助各儲能方案（program）之目標2010BEESTGRIDS方動力汽車(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GRIDS全名為Grid-ScaleRampableIntermittentDispatchableStorage，可譯為電併網技術”，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生能源電力得以併網應用。2011年HEATSHEATS全名為HighEnergyAdvancedThermalStorage，旨在開發革命性的，且高峰需求，2）3）利用2012年AMPED方AMPED全名為:AdvancedManagementandProtectionofEnergyStorageDevices，譯為『先進的能源管理與保護技術』，旨在開發先進的感測，控制和電源管理未解決的難題。2013年RANGE方RANGE全名為:RobustAffordableNextGenerationEnergyStorageSystems，可為『』RANGE專注於四個特定領域：1）使用水構建的水性電池，以提高安全性並降低成本2）非水電池，其中包含本質上的保護機制，確保在發生碰撞或火災時3使用固態電池-在其結構中不使用液體或漿料的2014年IDEAS、CHARGES與REBELS方IDEAS全名為:InnovativeDevelopmentinEnergy-RelatedAppliedScience可翻譯『能源相關應用科學創新發展』，主要提供為初期應用發展研究的基金，以探索具有潛在能源技術轉型和爆炸性變革潛力的開拓型計畫。IDEAS獎助期程限制最長為期一年，資金為500,000美元，旨在靈活處理，可採取分析或探索性也就是說，僅憑創新概念是不夠的。IDEAS項目還必須代表能源技術的一種全新的範式，並有可能對ARPA-E的任務領域產生重大影響CHARGES全名為CyclingHardwaretoAnalyzeandReadyGrid-ScaleStorage，基於對現今正迅速發展的電網儲能電池技術方法，在商業化廣泛採之前，仍然需驗證其性能，經濟效益和長期運轉的可靠性。CHARGES計劃著眼於兩個要點：１）ARPA-E境』條件下，也能上線為產業化實際應用。CHARGES計劃的目標是加速在當前和過去ARPA-E資助的研究工作中開發的電化學能量存儲系統的商業化。該計劃旨在幫助ARPA-E資助的電池開發團隊改進其存儲技術，以便在現實和未REBELS全名為:ReliableElectricityBasedonELectrochemical轉換燃料電池設備，試圖創建新途徑，以便為最終用戶提供低於$1,500/kW美Days-2018年APAR-E贊助的儲能方案（program）與用2014年前的方案（program）規範，直至2018才又針對儲能領域，提出最新的DAYS方案規範。DAYS英文全名正式展開為DurationAdditionto需要，因應供需不匹配或不穩定時的彈性恢復能力（resilience）。由於現今大緩解輸電壅塞（alleviatetransmissioncongestion）、調壓調頻的電力平滑操作（stabilizevoltageandfrequencylevels）,或者提供不長時間的削峰填谷電力調配（provideintra-dayshiftsofenergy）。DAYS這延長電力儲能乘載時程方來應付跨越隔日性的削峰填谷狀況。DAYS方案，增長儲放電時間與容量的目標，實現更持久的備用電源，可以更好地整合可再生能源。DAYS方案並規範所開發的電力儲能系統deployableinalmostanylocation），並按所設定的成本目標下，完成所需要的充電和放電單位成本需求。DAYS方案，在儲放電需用上共分轉（providedailycyclinginadditiontolongerduration,lessfrequentcycling）供電不足或電力溢出時，得以及時備援釋出電力或接收溢出電力進行儲電（notprovidedailycycling,butcantakeoverwhendailycyclingresourcesareeitherfilledordepleted）。DAYS方案，將折衷在可行的低成本條件下，探索新performancemetricsfortheDAYSprogram.)，目標為提供電網至少10至100小時的儲用電力(ID1)，儲電的均價成本(LCOS)設定為每度電5美分(5centskWh-cycle)ID2)2.5美分(2.5cents/kWh)，因此預ID4)，僅能以電力形式的儲放電功能(ID5)100kW為比較基準，最終須電時間(durationatratedpower)1)每日型2)非每日型充放電儲能分類(如ID7)。表一.DAYS方案的原版技術功能規範，截自APAR-E官方公MetricDescriptionand1Duration10toThesedurationsofinterestarerated100betweendailycyclingandseasonal2Levelizedcostofstorage5cents/kWh-Targetper-cyclestoragecostaccountingforcapital,operating(includingsysteminefficiency),maintenance,andallothercosts.Adiscountrateof10%andasystemlifetimeof20yearsareassumed.Seeequation[1]andtheassociateddiscussionbelowformoreinformationon3purchaseprice2.5Anelectricitypurchasepriceallowsapplicantstobalanceoperatingcostswithothercosts(includingcapitalexpenses),withafixed2.5cents/kWhisanexpectedunsubsidizedcostofelectricityforfutureutility-scalewindandsolarinstallationsavailablethroughpowerpurchaseagreementsorsimilarcontracts,andisalsoafavorablewholesaleelectricitypricein4NogeographicThetechnologiesinthisprogramneedtobesuitableforsitingthroughouttheentireUnitedStates.Technologiesmaymakeuseofbelowgroundstorage(e.g.,asub-surfacetank),maynotrelyonsite-specificgeologic5EnergyformforchargeandOnlyelectricityin/onlyelectricityThisprogramwillonlyconsiderstoragesystemsthatarechargedsolelybyelectricityandproduceelectricityondischarge.Inotherwords,theprogramisnotinterestedinsystemssuchasconcentratingsolarpowerthathavephotonsasan6Minimumfinal,system100kWbasedonpeakelectricalTheminimumsizeischosentoreflecttheprogramfocusonsystemsforcommercialandutility7DutyApplicantsmustusethedutycyclesshowninFigure2B,whichresultinthecurvesshowninFigureThedutycycleisrequiredtoestablishsystemcosttargetsasafunctionofduration.ARPA-Ehasproposedtwodutycyclesthatdefinethetwoprogramcategories.圖一.DAYS方案的價格目標圖，截圖自APAR-E官方公圖二:DAYS方案對於年度充放電次數(annualcycles)(durationatratedpower)的規範需求，截圖自APAR-E官方公圖三:DAYS方案對於價格成本與額定功率下放電時間(durationatratedpower)的規範需求，截圖自APAR-E官方公告圖三，同時也標示著未來鋰電池儲能技術(FutureLi-ion)、抽蓄水力儲能技術(Pumped-storagehydroelectricity，PSH)與現今其他商用儲能技術(currentcommercialinstallations)的價格成本，其中抽蓄水力技術在價格成本上已符合DAYS的規範需求，但受地理條件的限制，因此DAYS方案可視為在尋求一種Antora-固態熱電池(SolidStateThermalBraytonEnergy-改良式勞林-布雷頓循環儲能(ImprovedLaughlin-BraytonCycleEnergyStorage)EchogenPowerSystems-使用基於CO2的泵送式熱能存儲（PTES）系統的低成本，長時間電能存儲(LOW-COST,LONGDURATIONELECTRICALENERGYSTORAGEUSINGACO2-BASEDPUMPEDTHERMALENERGYSTORAGEPTESSYSTEM)FormEnergy-用於長期電網存儲的含硫系統(AQUEOUSSULFURSYSTEMSFORLONG-DURATIONGRIDSTORAGE)密歇根州立大學(MichiganStateUniversity)-可再生能源儲存的可擴展熱學選項(ScalableThermochemicalOptionforRenewableEnergyStorageNREL-利用低成本熱能儲存和高效電力循環實現經濟長期電力儲存(EconomicLong-durationElectricityStoragebyUsingLow-costThermalEnergyStorageandHigh-efficiencyPowerCycle)PrimusPower-最小的架空存儲技術，適用於電力存儲的持續時間OverheadStorageTechnologyforDurationAdditiontoElectricityQuidnetEnergy地質機械抽水蓄能(GeomechanicalPumped田納西大學(UniversityofTennessee用於長期儲存的可逆燃料電池(-ReversibleFuelCellsforLongDurationStorage)UTRC-具有廉價無機反應物的高性能液流電池（High-performanceBatterywithInexpensiveInorganic圖四:APAR-E官網公告(copyfromttps:///?q=arpa-e-這十項獲獎助計畫中，包含了三項不同的液流電池研發計畫，進一步說明如下:PrimusPower，總部位於加利福尼亞州海沃德的PrimusPower獲得了350萬美元的資助，計畫目標在於降低其鋅溴液流電池的複雜性和系統平衡成本。「利用鋅和溴在電池中的表現方式，電池將取消隔離膜(separator，並確保兩極的反應物在充電時為分別隔開，以及允許所有電解質儲存在單個罐中，而不是在多個電池罐中。」UTRC，聯合技術研究中心(UnitedTechnologiesResearchCente)獲300萬美元的資，用於開發基於新型液流電池化學的儲能係統，使用廉價且易於獲得的硫錳基活性材料，它的目標是“克服系統控制的挑戰，使兩極的反應活性材料通過流動膜減少不要的交叉穿越(unwantedcrossover)”，而致造成電池劣化情形。FormEnergy是一家正在探索各種電化學存儲系統的初創公司，著名成員包括特斯拉公司的MateoJaramillo，MIT教授Yet-MingChiang，AquionEnergy公司的Wiley，集資約五千萬美金($9millionSeriesA+$40millionSeriesB),投資者不乏產業大咖(包括義大利石油公司Eni，CapricornInvestmentGroup，BreakthroughEnergyVentures,PreludeVentures,MacquarieCapital,SaudiAramco,與MassachusettsInstituteofTechnology).，由AUGUST26,2019ENERGYSTORAGE報導，其儲能系統可能是一種水相硫化物的液流電池，摘文如下「FormEnergytackledthatprobleminthelabwithanAqueousSulfurFlowBatterychemistryandanund