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搶救地球!綠能科技大步走

唐祖湘、李洵穎

科技線上

工業技術與資訊

2019-01-30 10:29

綠能科技正夯,世界各國無不將之視為發展重點,若能搶先開發出乾淨的能源技術,將徹底改變全球產業生態。如今這個目標將有機會在台南沙崙智慧綠能科學城實現,其中尤以工研院提供的智慧綠能技術,大幅加速綠能產業化的最後一哩路,讓我們一起目睹綠能科技的精彩報導!

創能、儲能、節能、系統整合
沙崙智慧綠能科學城打造綠能產業生態系



走出台南高鐵站,極目所見袤野平疇,綠意盎然,越過高鐵軌道的不遠處,台灣最前瞻的綠能科技展示場域-沙崙智慧綠能科學城正在逐步成形,以「創能、儲能、節能、系統整合」四大發展主軸,打造創新綠能產業生態系,讓綠色能源成為驅動經濟產業發展、強化國際連結的新引擎。

全球正處於能源轉型的關鍵時刻,綠色能源發展扮演引領新一波工業革命的角色。工研院院長劉文雄表示,地球只有一個,台灣不能自外於世界趨勢。台灣98%能源倚賴進口,面對全球暖化威脅,要與大自然和諧共存,建立永續環境,就必須減少對化石燃料的依賴,發展綠能是最好的選項。

作為「5+2產業創新計畫」中「綠能科技」的重點建設,台南沙崙智慧綠能科學城將發展為綠能科技產業創新的重要基地。工研院已率先進駐,為打造南部綠能產業研究聚落、加速綠能產業化最後一哩而努力。

創新研發聚落 以綠能科技接軌世界

工研院綠能與環境研究所所長胡耀祖指出,沙崙智慧綠能科學城緊鄰台南高鐵特定區,是政府推動「5+2產業創新計畫」的要項,2018年3月動工,預計在2019年底完工進駐,目標是集中過去分散各地的研發能量整合為一個平台,扮演台灣綠能技術輸出的關鍵角色。

「沙崙智慧綠能科學城結合半徑45公里內30座產業科學工業園區,形成一處串連中央、地方、國營事業法人與學校的創新研發聚落,創造下一代新興綠能產業技術,希望以合作研發的方式,吸引國內外大廠投資,進而走向國際,」胡耀祖充滿信心,勾勒出台灣綠能科技與產業接軌世界的願景。

根據規畫,沙崙智慧綠能科學城主要區域包括科技部科技聯合研究中心、自駕車測試暨綠能行控場域、台糖智慧綠能循環住宅園區,台南市政府大台南會展中心、經濟部綠能示範場域、中研院南部院區,科技部智慧綠能產業研發專區等,並已成功招商三井不動產集團於南台灣首座「Outlet Park」,以台86線東西向快速道路作為交通要道,周遭環繞交大台南校區、成大歸仁校區、國研院國家地震中心等,可說是產官學研齊聚。

根據台南市政府規畫,科學城涵蓋核心區、基礎建設、周邊研究單位及周邊產業園區等,年產值可創造169.5億元,將提供8,250個就業機會;台南市政府也配合打造基礎設施,包含先進運輸系統、聯外道路拓寬、電動車與T-Bike建置、汙水系統、教育設施等,希望成為台南宜居城市的指標示範區。

體驗式示範場域 串連產業鏈能量

由工研院建置的綠能科技示範場域位於科學城核心區,達7.44公頃、為台灣首座完整綠能應用的測試與驗證場域,硬體建設包含潔淨能源中心、綠能生活體驗社區、實驗大樓、展示空間、旋轉式測試實驗設施,製程試驗場暨太陽光電(PV)戶外長期驗證區、智慧停車場等,整合相關產業需求及供應鏈。

胡耀祖進一步說明,「綠能科技示範場域主要作為綠能研發技術及產業測試、驗證及媒合,可協助業界驗證創新技術及產品成效,打造綠能科技產業聚落一條龍,以強化產業競爭力。」例如,法人與學界攜手整合研發技術,在此進行試量產試驗,再與業界合作或技術移轉。技術經過實際驗證篩選,可加速綠能技術產業化,帶動產業群聚;加上具備對外展示功能,對開拓綠能科技產品的國際市場也有莫大助益。

綠能科技示範場域包括「製程試驗場域」,將具備商業化潛能、可快速產業化的綠能技術,如染料敏化電池試量產製程平台、DC臥式電動渦捲壓縮機試產平台等設置在此;太陽光電模組測試與驗證平台、快充型鋁電池T-bike應用系統、燃料電池示範系統,則安排在「戶外應用場域」;「能源中心」導入區域電力管理系統,實地驗證系統可靠度;鄰近還規畫「綠能生活體驗社區」,驗證展示零耗能示範屋、建築節能與能源管理技術等。

學研合作方面,工研院也與交大、長榮等大學緊密結合,引領學生乃至民眾與產業,共同關注探討綠色能源發展議題。未來不論是台灣本地或是國際學生學習綠能科技,都會來到沙崙智慧綠能科學城,讓此地不僅扶持綠能產業發展,也成為培育綠能人才的基地。

智慧節能技術展示平台
綠色工務所實現低碳節能新科技



豔陽下,沙崙智慧綠能科學城工程緊鑼密鼓的進行著,臨近的工務所一片盎然綠意,在蒸騰的熱氣下散發著清新氣息。在經濟部能源局的支持下,工研院擔綱綠能科技示範場域建造,工程期間所設置的綠色工務所,將工研院自主研發的節能技術融入設計,既低碳、更省電。

因應工務所的過渡性與展示功能,工研院打造綠色工務所時,選擇的就是節能減碳且輕量化的鋼材,並宣告在綠能示範場域完工後,工務所將拆除回收循環利用。這棟環保鋼構建築目前作為推廣產業綠能產品及應用技術的示範平台。陳設有如小型企業辦公室的工務所,裝設以光發電的電動窗簾、高效率節能吊扇與智慧環控風扇等。多項綠能科技示範應用均融入生活情境,人員穿梭其間體驗綠能科技帶來的舒適與節能效果。

染敏電池電動窗簾 光源驅動自動啟閉



大廳旁邊的窗戶看似平常,其實內藏玄機,因為電動窗簾裡裝有工研院與台塑共同研發的「染料敏化電池板」,白天利用室內與窗邊的光線即可自主充電;晚間窗簾僅待機與無線傳輸元件耗電,白日所充的電可供電動窗簾100%用電需求。此電動窗簾不靠手動,全憑光源驅動電源運作,既保有生活便利,又不耗用額外的電力。

近年被認為頗具應用潛力的染料敏化電池,具有輕薄、可彎曲、多彩與可透光性特性,原料成本低,製程容易且設備簡單,不需昂貴的真空設備與廠房設施即可生產,最重要的是可在光線微弱的環境下,如室內光源即能發電,應用層面相當廣泛。可與家電、建材等結合,如電動窗簾、充電桌、自動芳香噴霧器等,工研院與台塑在沙崙智慧綠能科學城正合作推動試量產,潛在商機看好。

高效率節能吊扇 攜手業者打造國際商機



儘管在大太陽下,工務所依然涼風習習,靠的就是懸掛在工務所屋頂的「高效率節能吊扇」。吊扇核心是以外轉子無刷直流(DC)馬達結合驅動控制器、晶片模組等技術開發而成,具有高效率、低速高轉矩等特點。跟傳統內轉子馬達的差別在於,前者只有中間軸心在轉,外轉子馬達則是連外殼一起旋轉,透過製程管控與驅控技術優化,具有靜音、低振噪、高可靠度的優點,適合多段變速與風量的吊扇產品需求。

「外轉子無刷直流(DC)馬達」是由工研院與國內廠商,如嘉隆實業、鈞泰工業、鴻鋅共同研發,與傳統吊扇使用交流(AC)馬達相較,外轉子直流馬達的變頻吊扇節電效率達50%,且原料採用鐵氧磁鐵,不需稀土磁鐵。台灣沒有稀土資源,過去仰賴進口,對基礎工業發展不利,許多馬達業者因而外移東南亞。此技術研發成功,將為國內馬達產業帶來降低成本與能源轉型的機會,未來將在沙崙建立示範量產線,可加速推動進入國際巿場。

綠建築好幫手 建物能源管理系統

綠色工務所不僅節能,因為裝置「建物能源管理系統」(BEAMS),整棟建物的能源消耗也看得一清二楚。工研院聯合國內智慧水表、電表廠商,合作開發推廣「建物能源管理系統」,此系統以低耗能的無線傳輸為架構,搭配無線環境感測器、智慧電表與水表等IT技術,結合雲端平台即時監測,可以匯集整棟建物的電力、照明、空調等設備所耗用的能源資訊,將其系統全數轉為視覺化數據,顯現在儀表板上。透過資訊的取得與分析,可清楚了解該建築物耗能多少,使用者得以掌握用電特性及趨勢,進而做連動或優化控制,改變用電行為,估計可節省能耗達10~15%,未來若被廣泛應用,將有更好的節能效益。

兼顧節能與舒適 智慧環控風扇



開冷氣睡覺時,您是否有半夜被熱醒或冷醒的經驗呢?人體的新陳代謝在睡夢中會變慢,空調系統若從頭到尾同一頻率,很容易感冒。工研院研發的「智慧環控風扇」,利用「軟體演算法」,只要輸入使用者年齡、身高、體重,系統即自動計算出新陳代謝等生理數據,配合裝在電扇內的特殊感測器,透過室內濕度、衣著、個人冷熱偏好等參數,不論是日間在辦公室活動、或夜間在臥室睡眠等不同情境,可自動調整空調溫度與風扇最佳風速,讓環境維持在最舒適狀態。整合風扇與冷氣後,冷氣設定溫度可提高約1度,享有同樣舒適的同時,也能節省3~5%的冷氣耗電。

鋁電池及氫燃料電池
邁向綠能新紀元


溫室效應引發氣候變遷,追求潔淨能源的步伐日益急迫,而高速充放、使用壽命長及更加環保的儲能系統更是達成減碳永續目標的關鍵。工研院率先在「沙崙智慧綠能科學城」,導入鋁電池及氫燃料電池研發能量,並建立技術試量產與測試平台,扮演加速綠能產業化最後一哩路的關鍵推手。

台南沙崙智慧綠能科學城是國內首座綠能科技測試的驗證場域,工研院在2017年進駐成立鋁電池及氫燃料電池的實驗室,以此作為創新基地,提供從研發、試量產、測試到驗證等階段,垂直整合一條龍的服務。目前鋁電池和氫燃料電池等兩大團隊規模已超過40人,儼然成為推動綠能創新科技產業化的生力軍。

工研院鋁電池團隊現已研發出全球第一顆高速充放電鋁電池。工研院綠能與環境研究所鋁電池計畫經理江建志表示,鋁電池與鋰電池最大的不同在於材料,鋁電池的材料是石墨和鋁箔,全球蘊含量豐富,取得成本相對較低,有利於推廣普及鋁電池產業;在民生用途上,許多電池因材質與結構問題有爆炸危險,但工研院的鋁電池材質無毒、安全且經破壞穿刺亦不會有爆炸反應。

可高速充放鋁電池 商機無窮



如何將鋁電池產業化是工研院鋁電池團隊下一階段的重要任務。首先要讓更多人知道鋁電池的優點,目前工研院已規劃於沙崙智慧綠能科學城與高鐵台南站之間,設置以鋁電池為動力的電動自行車,該自行車只需充電12分鐘就可以行駛15到20公里。未來鋁電池技術將應用於汽機車電瓶電動市場、電動機車或自行車電池以及穩定再生能源之儲能設備,10年內國內應用市場估計產值上看百億元,潛力無限。

面對未來龐大商機,江建志表示現今確實感受到應用端的急迫需求,然而國內還沒有具備量產能力的製造廠商。因此,工研院於沙崙建置中小型材料與電芯試量產基地,讓下游業者能將鋁電池裝在載具上進行測試。目前正和國內廠商洽談技轉,進行噸級關鍵材料試量產合作,並冀望於短期內正式邁入量產。

在鋁電池實驗室的另一頭,是工研院研發製造氫燃料電池的基地。氫燃料電池不同一般的充電電池,為高效率之電化學反應發電機。其原理為利用水電解的逆反應來發電,以氫氣為料源,與空氣中的氧氣作用後產生電能;當使用氫氣作為燃料時,產電過程中為零碳排放,唯一產物則是純水,不會產生空氣汙染,完全適應未來對碳排放標準的嚴格要求,應用時被譽為21世紀最乾淨的能源。

工研院綠能所氫能與燃料電池計畫經理李鈞函指出,與傳統柴油發電機的發電效率相比,質子交換膜(PEM)燃料電池發電效率可達40%以上,熱能還可回收利用,整體能源使用效率可達90%以上。過去PEM燃料電池大部分使用石墨板作為電池材料,體積大且成本高。而工研院所開發的金屬板燃料電池,能夠減少體積及降低成本二分之一以上,且對環境友善、低噪音,因此成為更潔淨的備用電力選項。

氫燃料電池技術 打造自動化產線

 



李鈞函表示,工研院與國內氫燃料電池製程技術的三大關鍵廠商:禾新、揚志及碳能,共組產業研發聯盟,建立一條從設計到組裝全國產化的PEM燃料電池組試量產線,也是全台灣唯一自動化的智慧製造生產線。

由於燃料電池需要精密的組裝與檢測,才能達到要求的良率和可靠度,因此該試量產線運用機械手臂進行單電池模組的生產,之後再進行檢測、堆疊和組裝。單1個氫燃料電池模組可以產生40瓦的電,若將50個單電池模組組合在一起,就能供應相當於2,000瓦的電,用來煮咖啡更是輕而易舉。

在產業應用上,氫燃料電池短期可應用在備用電力市場,中期則可擴大至熱電共生市場應用,如食品業、飯店業、醫院等,長期可結合再生能源之剩餘電力產氫,進行電力調度應用。

目前工研院在鋁電池和氫燃料電池等兩大技術上已與產業界攜手合作,加速綠能產業化的最後一哩路。工研院期許以綠能技術能量,能夠引領台灣在能源轉型的關鍵時刻,往新興綠能經濟邁進。

再生能源有力後援
微電網系統「網」住每一度電



為追求環境永續,提高再生能源比重是各國能源政策的重要議題。但再生能源受限於自然條件,其不穩定性與間歇性影響供電品質,利用微電網的調控技術能有效提升綠能運用。工研院於六甲院區設置微電網系統測試場域,兼具創能、儲能與電能管理功能,是台灣綠能科技前進國際的前哨站。

工研院院長劉文雄指出,人類必須離開對化石能源的依賴,為求環境永續發展,再生能源是最好的選項。但各種能源都有優缺點,如何從中尋求平衡點,需要各方一起努力。再生能源的挑戰在於無法挑選設置地點,還有間歇性問題,必須搭配微電網的調度,配合儲能、預測、整合等功能,才有利於再生能源的發展。

電網管理與現代化策略辦公室技術長盧展南進一步表示,微電網及大型儲能系統不僅可整合分散式的再生能源,其另外的價值,在於大電網發生事故時,可使斷電損失高的重要產業及維生設施延續供電一段時間,加強重要園區的供電可靠度,減少無預警斷電損失,另外,亦可協助大事故下,供電系統的運轉靈活性及復原工作,強化電網韌性。

根據政府規劃,藉由建置太陽光電、離岸風力等,將讓台灣的再生能源發電量占比由目前的4.6%,成長到2025年的20%,其中增加最快速的是太陽光電。工研院綠能與環境研究所電力及電網技術組組長梁佩芳認為,排除不可預測的人為政經因素,就技術面來說,只要整體分析相關因應措施得宜,諸如改善輸配電系統、裝設儲能設施、導入需量反應方案與預測技術等,電網將可順利容納20%的再生能源。

發展再生能源 微電網系統助攻

再生能源發展勢在必行,但其間歇和不可控制性,仍是影響再生能源發展的重要因素。當大量再生能源發電發生劇烈變動,將影響區域電力系統供電品質與電網運轉穩定性,區域電網的管理及微電網技術應運而生。

微電網技術屬於智慧電網的一環,透過微電網整合分散式的再生能源,依據用戶的負載進行協調運轉,能夠使電網的整體運作更有效率。打個比方,以微電網進行區域性的電力調度,就像是為運用替代道路,如果依據車流狀況妥善調度,可以舒緩主幹道的塞車,使整體交通更為順暢。

梁佩芳表示,微電網本身也可以是一個獨立自主的小型電力供應網絡,讓電力自給自足,適合應用於小型離島的再生能源整合。過去離島仰賴柴油發電,應用微電網技術,供電系統就能更加環保。然而,系統整合並不僅是讓再生能源併入電網,再生能源供給過多時,逆送電力可能導致柴油發電機跳脫,而柴油機跳脫時,如果儲能系統無法立即維持穩定的電壓,再生能源將隨之跳脫,最後供電完全中斷,因此,微電網的控制系統非常重要。

工研院微電網系統測試場域添助力



工研院在台南六甲院區建置旗艦級微電網系統測試場域,並以此為基地,吸引產業界共同合作。在測試場域內,不僅設有太陽能板,還包含5個貨櫃的儲能設施、能源管理系統,技術關鍵在於如何智慧調控能源配置。透過智慧調控,工研院的微電網系統測試場域,年發電量約51.8萬度電,占六甲院區年負載用電量約20%,約等於100戶四口之家一年的用電量,若以一度電3元計算,一年能為六甲院區省下155萬元。

微電網系統測試場域操作的基本模式包含再生能源平滑模式和再生能源出力移轉模式。上班日院區用電較多,太陽能輸出能夠減少午間對台電的電力需求,微電網操作的重點在於平滑再生能源的輸出,並降低尖峰用電。假日無人上班時,院區的耗電量低於太陽光電的裝置容量,為了避免逆送電力至台電,將多餘的電力儲存至儲能系統中,在適當的時間再釋放出來,以避免棄光的情形。

工研院的微電網系統測試場域不但吸引帛琉總統親自遠道前來觀摩,也爭取了億鴻、大同、中油等廠商的技術合作,共同解決未來必須面對的再生能源整合問題。關鍵技術之一的儲能電力轉換系統(PCS),工研院亦與國內廠商進行技轉簽約,協助產業界發展儲能技術。藉由儲能系統可使綠色能源更容易與電網或家庭用電整合,加速分散式能源的發展,增加電力系統穩定性,讓能源使用更有效率。

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