2016/09/05
經濟部能源局
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撰文／李茗家
資料提供／International Renewable Energy Agency
由於再生能源發電具間歇性，在全力發展再生能源的同時，應該思考如何將電力儲存下來，以備再生能源發電供應不足時之所需。抽蓄水力儲能系統，就是選項之一！
水力發電自18世紀末由歐洲最先開發利用，並拓展至世界各國，它也是臺灣最早開發利用的再生能源之一。由於水力發電是水的位能與動能轉換為電能，完全無需使用燃料，且符合能源永續的精神，因此，可說是一項潔淨的再生能源。
臺灣雨量充沛，但高山河川坡度陡峭，豐富的水力資源必須建水庫儲蓄。水力發電曾是我國發電系統的主力，1905年，臺灣第1座水力發電廠建立於現在的新北市烏來區。臺灣水力發電廠經整併後僅存12所，由於水資源運用移轉至民生與工業使用，水力發電供電容量早已被火力及核能電廠超越，但水力發電的優勢，使其仍具有重要的地位。
水力發電的原理，就是於河流上游的適當地點建起一座水壩，攔截河川水流蓄水，順著輸水管路送至水壩下方水力發電廠，藉由水的「流量」及「落差」，推動水輪機轉動，進而帶動發電機產生電力。
儲存電力，轉換位能
水力發電的方式可以分為很多種，若以水源運用做為分類方式，臺灣具有川流式發電廠（依河川自然流量運轉）、調整池發電廠（和川流式發電廠類似，只是蓄水池之蓄水量較大）、水庫式發電廠（蓄水量很大，可以供發電廠配合電力系統下池之需求調度）及抽蓄式發電廠等，其中抽蓄式發電廠又兼儲能與發電兩種功能。
抽蓄式發電廠，又稱為抽蓄水力儲能系統，其與一般水力發電廠不同的地方在於，抽蓄式發電廠不僅可以發電，還能用來儲能。
抽蓄式發電廠運作方式，首先是設置2個大型的蓄水池，一個位於上游處，稱為上池，一般為水庫本身；另一個位於下游處，稱為下池，通常是一人工湖泊。由於電力系統在離峰時段的剩餘電力無法有效使用，因此利用火力、核能等電廠的多餘電力，將下池的水抽回上池，然後等到尖峰的供電時間再放水發電。這系統就如同超大型的天然電池，將剩餘的電力轉換為位能的型態儲存起來，用以發電。
全球儲能設備 以抽蓄水力儲能系統占比最多
根據國際再生能源總署（International Renewable Energy Agency, IRENA）2015年的報告顯示，目前全球儲能設備以抽蓄水力儲能系統占大多數（裝置容量約99％），整體來看，以歐洲地區最多（合計約41GW）；若以國家別來看，以日本（26GW）、中國大陸（23GW）及美國（20GW）為最多，其次是義大利（7GW）、法國（7GW）、奧地利（5GW）、德國（5GW）及西班牙（5GW）等國家。
這些抽蓄式發電廠多數建於1970至1980年代之間，為因應當時調配核電廠基本發電之需求所建造。由於抽蓄式發電技術發展已相當成熟，因此對於未來建置成本並不會有顯著的影響。根據估計，現階段建置成本約落在每瓩2,000～4,000美元之間。
臺灣21年前就已跟上腳步
臺灣之地理環境適於運用水力，故我國早在日據時代就已開始利用水力發電，在儲能技術日漸發展成熟後，1995年位於南投縣水里鄉的明潭抽蓄水力發電廠竣工落成，水力儲能也成功在臺灣出現。明潭電廠總裝置容量達1,602MW，主要以日月潭做為上池，於水里溪建壩蓄水為下池，透過2條隧道引水，利用上下池間約380公尺的落差進行發電，是全球少數巨型抽蓄水力發電廠之一。
當初選擇建造抽蓄水力發電廠，是因為尖峰與離峰時段的用電量差異甚大，核能與火力發電廠又無法在離峰時段大量降低發電量，電力在離峰時段產生大量的浪費，無法妥善應用，亟需能夠儲存離峰電能的方法。而抽蓄水力發電系統猶如一個巨大的電容器，不僅可配合電力負載需求，將水力能源配合火力及核能基載發電運作，充分加以利用，達到降低發電成本，提高系統可靠度及設備利用率，同時能有效增加尖峰時間的供電量。
我國目前之尖載機組除了氣渦輪機組外，主要便是以台電公司明湖及明潭抽蓄水力電廠為主，前者有4部機組（合計1,000MW），後者有6部機組（合計1,602MW），總計有10部抽蓄水力機組，總裝置容量2,602MW。然10部機組均為固定轉速，抽水及發電運轉時無法調整速度及負載，應付系統緊急變動之彈性度較低。
未來仍有一段路要走
再生能源的發展已經成為全球必然的趨勢，也是臺灣能源自主的發展策略之一。但是，再生能源之間歇性發電問題，對於想要發展大型再生能源的臺灣，將是未來需要克服之難題，需提早思考因應對策，以國際經驗可知，抽蓄水力儲能系統是可行的方法之一。
然而，興建抽蓄水力發電廠並不是一件簡單的事情，不僅須選擇合適的廠址，再加上建置時間長、初設成本高等，土地開發也可能面臨環境生態問題，我們需要謹慎地評估，以降低對環境之衝擊。
為配合再生能源之儲能課題，台電公司目前正評估新建可變速抽蓄水力發電的可行性，對此，我們也應保持樂觀的態度，因為這是一段漫長的路。
奧地利：Feldsee水力發電廠
Feldsee抽蓄水力發電廠自2006年開始施工，於2011年正式運作，位於陶恩山之海拔高度約1,695公尺處，總裝置容量為140MW，每年發電量為300GWh。該廠為Fragant電廠群的其中一座電廠，可將附近風力發電廠和水力發電廠之剩餘電力儲存起來。
資料來源：
美國DOE 儲能資料庫（DOE Global Energy Storage Database）
（http://www.energystorageexchange.org/projects/551）
日本：奧多多良木水力發電廠
奧多多良木水力發電廠位於日本兵庫縣，廠房位於地下100公尺，為典型尖峰發電的水力電廠，共有6部抽蓄式發電機組，且每日尖峰發電可達8小時，最大總發電容量為1,932MW，現已規劃將機組更新為可變速AFC水輪發電機組。
圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tataragi_Dam01n4272.jpg
By 663highland（CC BY-SA-3.0）
泰國：Srinagarind水庫
Srinagarind水庫於1981年正式落成，位於曼谷西北方約200公里處。本水庫共設置5部水力發電機組，總裝置容量720MW，其中3部機組為120MW，2部機組180MW（抽蓄水力發電用），該水庫之集水區共419平方公里，總蓄水量為17,745萬立方公尺，除提供農業灌溉，尚兼具發電、防洪及提供民生用水的功能。
圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Srinakarin_Dam_No.5.jpg
By Kittipong khunnen（CC BY-SA-3.0）
關鍵字：水力發電,抽蓄式發電廠,明潭