在英國有100輛NissanLEAF電動車的主人將采用特制的雙向充電站，在用電尖峰時刻把電動車儲存的電力賣回給電網(wǎng)。
在一個潮濕夏季的炎熱午后，某個大都市無預警停電；在那之后不久，同樣的那個傍晚，在電力公司的電網(wǎng)計算機系統(tǒng)深處，響起一個通過因特網(wǎng)發(fā)送的區(qū)域性警報，對象是數(shù)不清的TeslaModelS電動車，它們的自動駕駛系統(tǒng)立即通過GPS設定行駛路線，目標是受停電影響的變電站。
在此同時，一個個車庫門被打開，啟動了自動駕駛功能的電動車紛紛涌現(xiàn)、轉向郊區(qū)的道路，看似在夢游、其實全神貫注于周遭情況；它們進入高速公路網(wǎng)關，開始一段通過電源逆變器組支持停電區(qū)域電源的旅程。每一臺電動車的電量可達85千瓦小時(kW-hr)，可提供停電區(qū)域醫(yī)療院所、商業(yè)機構以及一般住家緊急電源，直到電力公司恢復供電。
而那些電動車的主人還可以獲得額外獎金：他們將能源賣回給電力公司，跟在夜間為電動車充電所花費的成本相比，利潤很不錯─投資報酬率最高可達六倍──其他地方很難有這么好的賺錢機會。
以上是美國電子設計服務業(yè)者Nuvation共同創(chuàng)辦人暨執(zhí)行長MikeWorry所構想的、有如好萊塢電影或科幻小說情節(jié)一般的未來，或許在未來五年就會成真；你以為那只是幻想？事實上，汽車大廠Nissan在5月才宣布一項新試驗計劃，能讓英國的電動車擁有者將自家電動車的電力賣回給電力公司。
這項V2G(vehicle-to-grid)計劃是Nissan與意大利電力公司Enel以及英國國家電網(wǎng)(NationalGrid)合作開發(fā)，在英國有100輛NissanLEAF電動車的主人將采用特制的雙向充電站，在用電尖峰時刻把電動車儲存的電力賣回給電網(wǎng)。目前在英國有大約1萬8,000輛LEAF電動車，如果那些車通通都聯(lián)機，總計可提供180MW的電量。
聽聽專家們的說法
為了讓EDN的讀者們對于目前的大規(guī)模能源儲存方案以及超級電容(ultracapacitor)等技術有更清楚的了解，筆者最近訪問了Nuvation的Worry以及電源解決方案供貨商MaxwellTechnologies區(qū)域銷售經(jīng)理MartinMills。
我們的討論以與時俱進的電池和超級電容技術，如何解決太陽能與風力發(fā)電的產(chǎn)能波動為出發(fā)點。Worry表示，這是結合高功率超級電容與高能量電池混合應用的良好案例，在這類應用中，對大量能源的需求，能結合提供數(shù)小時電力的電池與具備優(yōu)異反應時間及循環(huán)壽命的超級電容來因應。電池的循環(huán)壽命為數(shù)千次，超級電容的循環(huán)壽命可達數(shù)百萬次。
也就是說，如果每天有十幾次陣風，風力發(fā)電機在一年內就可能耗盡一顆電池的壽命；而如果混合使用超級電容，就可以建構一個利用超級電容處理頻繁高度電源波動的質量系統(tǒng)，減緩電池的耗損。Worry指出，這對發(fā)電機運作與成本都有好處；Nuvation發(fā)現(xiàn)，那些能源儲存系統(tǒng)得為了某個問題的各個部分打造不同的解決方案，超級電容與電池能妥善因應這類情況。
Mill補充指出，以Maxwell的觀點來看，超級電容在這類混合式系統(tǒng)中確實是電池的好幫手，能有助于延長電池壽命，也可能降低對電池規(guī)模的需求；運作溫度范圍也是超級電容的另一項優(yōu)勢，盡管這類系統(tǒng)大多數(shù)都配備某種溫度管理功能。比起電池，超級電容具備優(yōu)異的超低溫耐受能力，因此如果系統(tǒng)布建了超級電容，就不需要采用太復雜或太昂貴的溫度管理設計。
筆者先前有一篇文章，曾探討過超級電容與電池在超級炎熱的美國亞利桑那州輕軌交通系統(tǒng)之應用；Mills表示，超級電容在交通與電網(wǎng)應用領域的應用主要有兩種，如果是布建于輕軌車輛本身就算是交通應用，而如果是應用于通過再生制動(recuperative/regenerativebraking)擷取能量的軌道旁(wayside)能量儲存系統(tǒng)，則算是電網(wǎng)應用。
為電力用戶節(jié)省電費
另一個問題是，如何利用智能儲存電子裝置來實現(xiàn)組合式(stacked)的電力公司服務？例如在離峰時間用電、并在尖峰時刻將能源賣回給電網(wǎng)，好讓電費支付者省錢的需量電費(demandge)減免服務；還有超級電容如何因應這類使用情境？
對此Worry感嘆，新興能源儲存產(chǎn)業(yè)最迷人的部份，就是我們正在采用的能源只是瞬間、交易型(transactional)的，我們卻正在發(fā)明一個概念，讓能源能被儲存，然后利用能源管理軟件來應用那些被儲存的能源。也就是說，想象在過去我們能把錢儲存在銀行、或是能以書寫的形式來儲存信息，但現(xiàn)在我們是把能源儲存起來，并因此衍生出全新的經(jīng)濟模式。
把那些服務組合起來的功能實際上是在軟件層面，而那些諸如需量電費減免、負載轉移(loadshifting)或是電表后端(behind-the-meter)等能快速回收利潤、證明投資報酬率(ROI)的應用，則是都與電力公司如何為電力訂價有關。
如果電力公司以你最高用電量來收取溢價，當然這就會激勵產(chǎn)業(yè)找出他們可以扮演什么樣的角色，以能量儲存的方式協(xié)助降低需量電費；相同的，如果電力公司在一天之內針對不同時段有不同收費標準，就會激勵產(chǎn)業(yè)以改變使用時間的方式來利用能源。Worry認為，我們將會看到新興的住宅能源儲存系統(tǒng)，基本上可以做決策、組合那些不同型態(tài)的算法以找出最佳的能源儲存利用方式，為使用者節(jié)省電費。
然后在電力公司的電表這一端，我們也會看到組合式服務做出不同的決策；因為在電力公司的層級，有一些諸如可再生能源整合、頻率調節(jié)等在較大層面執(zhí)行且需要做不同決策的事情，這會是在電網(wǎng)層級執(zhí)行的另一套算法組合服務。
筆者居住在美國亞利桑那州，利用沙漠地帶日照充足的優(yōu)勢，本地有很多居民安裝住宅用太陽能發(fā)電裝置，因此有不少住戶認為他們可以輕松地擺脫公用電網(wǎng)；但實際上如果沒有能源儲存設備會是很困難的，因為這里在雨季或是一年內的某些時候仍然有陰天。這類住宅用太陽能發(fā)電裝置平均是十年左右才能回收初始投資；因此組合式使用有助于減輕屋主電費負擔。
Worry認為，我們將會看到一些能源儲存設備以大量、小型化家用系統(tǒng)的形式問世，讓民眾能改善其電費賬單；不過能源儲存設備的最大推動力還是在于電力公司規(guī)模，而他也認為，許多電力公司都有很高的再生能源配額制度(RenewablePortfolioStandards，RPS)目標，如圖。
美國29個州以及華盛頓特區(qū)的再生能源配額制度(RPS)策略。(圖片來源：BerkeleyLab)
當再生能源發(fā)電量超出電力公司負擔
Worry住在美國加州，目前有42%的公用電力是采用可再生能源；這已經(jīng)導致了例如在夏日午后會發(fā)生的太陽能縮減(solarcurtailment)情況；因為可以回饋給電網(wǎng)的太陽能發(fā)電量過多，超出了電力公司可吸收量。這是一個值得探討的課題，德國最近也曾發(fā)生太陽能縮減情況。
我們可能會開始看到一個“負費率(negativerate)表”的情況，也就是說如果電網(wǎng)是舊有系統(tǒng)，在發(fā)電量不足時有很多處理額外能源的能力，例如過度負載(anexcessofload)；不過，如果有太多再生能源回饋到電網(wǎng)時，電力公司就無法處理。Worry指出，再生能源過度負載的解決方案，就是大幅提高能源儲存量。
加州為此上呈聯(lián)邦政府，表示面臨太陽能過量的問題，而因為沒有足夠的負載能利用在夏日午后產(chǎn)生的過量太陽能，是否該暫緩實施太陽能收入津貼(SolarIncomeCredits)；聯(lián)邦政府的回復當然是“不行”，必須維持發(fā)放津貼，因為這是美國全國性政策，加州需要想辦法解決。
于是，加州真的想了辦法解決，表示將布署1.36GW-hrs的能源儲存設備；這會是數(shù)10億美元的投資，不過將分配給多家供貨商。當然，這方面的努力會是由電力公司主導，而知名市場以及政府指令在其中扮演主要推手。
Nuvation實際上才剛宣布其公用事業(yè)等級(支持高達1,250VDC，可擴充為50個電池組配置、裝載于ISO機箱的能量儲存系統(tǒng))電池管理系統(tǒng)，能符合MESA能量儲存標準(圖4)。Nuvation符合Draft3版本標準的成就，簡化了其電池管理系統(tǒng)與設備業(yè)者ParkerHannifin的MESA規(guī)格逆變器，以及Alevo的GridBank能源儲存裝置計劃上的第三方站點控制器之整合(下圖)。
圖右黑盒子就是Nuvation的電網(wǎng)電池控制器(GridBatteryController)，能控制數(shù)個電池組，實現(xiàn)MW等級的電池管理。
2016081000016圖5Nuvation執(zhí)行長MichaelWorry(左三面朝前方)在美國北卡羅萊納州ParkerHannifin旗下的GridTieDivision事業(yè)部門，為能源儲存產(chǎn)業(yè)人士介紹安裝于新一代1MW/1WhAlevoGridBankESS機箱中的電池管理系統(tǒng)。(圖片來源：Nuvation)
讓你的電動車變成收入來源
我想有那么一天，每個人家里的車庫停放的一或兩輛Tesla電動車，也可以在能量儲存方面幫上忙；當然，Tesla執(zhí)行長ElonMusk也將獲益良多。Worry表示，我們在未來可以有那樣的想象，電動車不再只是家庭資產(chǎn)，也會成為收入來源。
在有風力與核能發(fā)電機運轉的區(qū)域，人們夜間用電需求不大，你可能會在此時為電動車充電，以準備在明天從居住地駕駛到擁擠的城區(qū)上班、談生意；而如果電力公司為因應本地業(yè)務對能源的需求，提供比你以往在夜間為電動車充電的費率更高的收購價格，你也可以將電動車儲存的能源賣出，并因此取得收入。
Worry有一輛可儲存85kW-hr電量的TeslaModelS電動車，而他一天通勤距離只有20英哩；如果能賣個好價錢，他會很愿意簽署把電動車多余能源回售電網(wǎng)的協(xié)議。而他感覺應該有很多人也會認為這是有利的、愿意這么做。
我對于負載的能量轉移如何通過結合使用電池與超級電容來獲益感到很好奇，對此Worry表示，在以時間計費(time-of-use)的使用模式中，超級電容就不一定適合；這種使用模式更偏向是能量的消耗而非高功率電源的消耗，因為通常經(jīng)歷數(shù)小時。
舉例來說，在Worry住的加州Campbell夏日午后，他可以用0.25美元/kW-hr的價格出售電力，然后在晚上以0.04美元/kW-hr的價格買回──價差是驚人的六倍；去告訴任何一個股票交易員，說我們將提供一個保證當日交易資產(chǎn)的市場，而且在一天之內獲利六倍，他們都會覺得難以置信，但這是現(xiàn)實。
Worry在家做過一個負載轉移實驗，在電力公司尖峰收費時間以儲存能源的鉛酸電池為電動車充電，投資在六個月內就回收；不過他認為這種獲利是屬于人為的，因為應該無法持續(xù)。
超級電容能帶來省錢效果
超級電容非常適合快速反應、高功率的應用例如電壓驟降(VoltageSag)以及電力質量矯正(PowerQualityRemediation)；電壓驟降是一個電力公司層級的問題，他們需要布建更大的能源儲存系統(tǒng)才能處理電壓驟降，與之相關的是頻率調節(jié)(FrequencyRegulation)。
Worry表示，電力公司添加大型能源儲存系統(tǒng)系統(tǒng)，可供單日20、30或40次的充放電；Nuvation曾觀察采用電池的這類應用，但發(fā)現(xiàn)只四個月就會耗盡電池壽命，不具經(jīng)濟效益。而超級電容搭配電池備援的方案，確實是這類應用的理想選擇，而其支持水平可媲美發(fā)電機或是尖峰負載電廠(PeakerPlants，如圖6)等一系列能源設施。
以超級電容結合電池能源儲存系統(tǒng)來取代尖峰負載電廠，可以省下不少錢。(圖片來源：CALMAC)
在全美約有300座尖峰負載電廠，一年只會運轉幾天；這些電廠需要完整的人員與裝備，以因應一年少數(shù)幾天用電需求飆升的狀況。如果以超級電容搭配電池能源儲存系統(tǒng)來取代這些尖峰負載電廠，可以想見能節(jié)省多大的成本。
這么做的另一個好處，是能因應難以預測的多變負載波動，備轉容量(SpinningReserve)估計為30%；也就是說，需要有比實時需求多30%的能源被產(chǎn)生。如果我們能將那些過量能源擷取至能源儲存系統(tǒng)，并用以管理負載變動，可望大幅降低運轉發(fā)電機所需的石化燃料用量，但仍然能支持那30%的備援電力，這是很大的比例。
Maxwell的Mills表示，大多數(shù)人會尋求的替代方案是添加更多的電池，以補充系統(tǒng)的電力需求；他們這么做的原因是他們往往對相關技術或超級電容的使用不太熟悉，或是不懂它們能如何恰當?shù)卦谙到y(tǒng)中運用混合方案。
不過在對功率與能量都有要求的組合式使用案例中，混合使用超級電容與高能量的液流電池(aqueous/flowbatteries)，通常在資本支出與運轉成本方面更具經(jīng)濟效益；舉例來說，在組合式使用案例中，可能會在單一能源儲存系統(tǒng)中提供太陽能穩(wěn)壓(solarsmoothing)、尖峰用電調節(jié)(peakshaving)、時移(timeshifting)等服務，如美國電力公司DukeEnergy最近布建的一套系統(tǒng)。
Maxwell在交通市場對超級電容的運用也非常成功，例如柴油/電混合動力巴士的能源再生，以及歐洲、北美的汽車怠速系統(tǒng)(Start-Stopsystems)。在EDN姊妹網(wǎng)站PlanetAnalog刊登過一篇Maxwell的ShawLynds撰寫之部落格文章，則提及DukeEnergy與中國電力業(yè)者國電集團合作推動的新一代超級電容電網(wǎng)能源儲存計劃(圖7)。
特定的電網(wǎng)能源儲存技術與超級電容儲存方案的生命周期比較。(圖片來源：Maxwell)
能源服務供貨商AlevoAnalytics則是為電網(wǎng)能源儲存推出了GridBank方案；這些貨柜式的機箱內含區(qū)域控制器(AreaController)，能優(yōu)化能源儲存設備的使用、組合各種服務，以及厘清電池何時應該要充/放電以穩(wěn)定電力分配。
能源儲存系統(tǒng)是穩(wěn)定電網(wǎng)的基礎
Nuvation的Worry表示，電動車的普及化對電網(wǎng)可能產(chǎn)生的沖擊引起產(chǎn)業(yè)界很多注意，不過這個問題或許被過度夸大，因為電動車的耗電量其實與你家的冷暖氣空調系統(tǒng)差不多，但你應該沒聽過有人擔心空調系統(tǒng)過多對電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅。
Worry指出，空調系統(tǒng)通常在白天使用量比較大，在某些區(qū)域晚上也會運作；他住在美國加州，晚上會關閉空調、為電動車充電，因此他的電力輸送需求其實沒有什么差別。但筆者的看法是，空調系統(tǒng)是一種成熟技術，其使用情況電力公司已充分掌握；電動車則是仍在發(fā)展初期。
對此Worry響應，有些人對于電動車將消耗大量電力太過激動，但實際上這可以通過一個連網(wǎng)開關控制器遠程調節(jié)；他無法從家里的空調系統(tǒng)內部調整其電力消耗，但確定可以進入他的Tesla電動車，并調節(jié)電力使用費率?？傊甒orry認為電動車不會癱瘓電網(wǎng)。
那電池與超級電容在頻率調節(jié)方面能扮演什么樣的角色？Worry指出，電池與超級電容實際上是發(fā)展多元化可再生能源的必備解決方案，并且能因應當電動車逐漸普及化而增加的負載變動風險；我們需要有更多的能力在電網(wǎng)頻率調節(jié)、負載調節(jié)方面提供穩(wěn)定性，因此能快速反應的能源儲存設備非常重要。
除非有能源儲存系統(tǒng)采用，內含超級電容與電池的混合式方案也無用武之地；如同美國加州對再生能源的采用情況。身為能源儲存產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的一員，Worry樂見加州繼續(xù)布建更多的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，因為這將對能源儲存有更多需求，同時也需要頻率調節(jié)軟件以支持再生能源的整合；因此關于電池/超級電容技術的議題已經(jīng)超越其幫助，那實際上是有需求的方案。
在過去8年，Nuvation打造了一套電池管理系統(tǒng)(BMS)并可提供現(xiàn)場使用的電力公司等級產(chǎn)品；該公司持續(xù)看到在電網(wǎng)層級有對于電壓以及尺寸方面的需求。目前的Nuvation電池管理系統(tǒng)可以支持最高1,250VDC并擴展至50個電池組并聯(lián)(圖8)。
Nuvation的電池管理系統(tǒng)所支持的多組電池能源儲存系統(tǒng)電路圖。(圖片來源：Nuvation)
Worry很自豪于能在BMS產(chǎn)品中提供上述能力，因為他們看到人們正在打造前所未見的大型系統(tǒng)；Nuvation還有一種名為電網(wǎng)電池控制器(GridBatteryController)的產(chǎn)品，能讓所有的能量儲存系統(tǒng)并聯(lián)電池組的運作看起來就像單一顆電池。在能源管理系統(tǒng)的某一層支持區(qū)域控制器功能，結合數(shù)個能源儲存系統(tǒng)與其能量的工作現(xiàn)在是由軟件負責；可以遠程選擇想使用哪種電網(wǎng)。你可以說想要的是每kW-hr成本最低的能源儲存方案，或希望電網(wǎng)以最環(huán)保的方式運作、想要輸電量盡可能越少越好；你可以實際在軟件層上面選擇你想要的供電模式(圖9)。
2016081000020圖9Nuvation的電池管理系統(tǒng)支持4個電池組的能源儲存裝置，圖中的軟件接口顯示的讀數(shù)精確反映在大型儲存系統(tǒng)中之實際運轉狀況。(圖片來源：Nuvation)
在電網(wǎng)相關技術方面能有這樣的創(chuàng)新真的是很酷，畢竟電力系統(tǒng)真的是歷史悠久；這讓我想到老式的傳統(tǒng)電話服務(PlainOldTelephoneService，POT)電話線，以及1980年代突飛猛進的DSL(DigitalSubscriberLines)技術的區(qū)別。
會讓愛迪生開心的直流電力傳輸技術
產(chǎn)業(yè)界對于最終能提供家庭與企業(yè)應用的高壓(HV)直流電力傳輸(DCPowerTransmission)一直有很多想法以及相關技術的開發(fā)，甚至是HVDC在電信與數(shù)據(jù)中心領域的應用；Worry認為這是可能實現(xiàn)的，特別是隨著我們以直流電功能打造更多太陽能與再生能源儲存方案。
我們插上電源的大多數(shù)裝置都是電子裝置，而且這些裝置大部分都是以直流電源來供應所有半導體組件；Worry補充，我們所有的計算機都是采用直流電，而且到處都可以看到可以把墻上插座供應交流電(AC)轉直流電的轉換器。
美國夏威夷州計劃在2040年全面使用可再生能源，這些可再生能源都會是直流電形式，因此未來我們可能會需要把那些直流電轉成交流電通過電網(wǎng)傳輸，然后再把交流電轉成直流電供應各種電子裝置使用。
現(xiàn)有的電力傳輸基礎設施大多是交流電，而交流電耦合電氣系統(tǒng)是人們熟悉且能輕松應對的；Worry不認為直流電力傳輸系統(tǒng)會很快大規(guī)模布建，我們可能會看到的是例如在亞利桑那州沙漠中心的一個新小區(qū)的建筑物里架設的直流電網(wǎng)，而其主要原因是在當?shù)夭]有現(xiàn)存的舊有交流電網(wǎng)設施。
一個可以參考的案例，是在尚未妥善發(fā)展電信產(chǎn)業(yè)的第三世界國家；這些國家并不是依循北美的發(fā)展路線，布建一系列以有線傳輸線路組成的基礎設施、無線技術則置于其頂端，他們有部分是選擇跳過有線網(wǎng)絡、直接采用無線通信基礎設施，因為后者價格較低。
而Worry認為，能源儲存可能也會出現(xiàn)與上述類似的情況；有些人可能會說，既然我們這個區(qū)域的電網(wǎng)感覺像是非洲或印度偏遠地區(qū)那樣糟糕，干脆我們這個小鎮(zhèn)完全脫離電網(wǎng)、自己建置一個大型太陽能發(fā)電數(shù)組以及能源儲存系統(tǒng)，而且全面供應直流電吧！
妥善運用能源儲存裝置也能節(jié)省電費！
除了大規(guī)模能源儲存設備，我們在這篇文章里也提到了家庭用戶、電動車車主以及小型企業(yè)；為了讓討論圓滿以及突顯這個議題面臨的挑戰(zhàn)，我想聊聊最近在《ArizonaRepublic》地方報上讀到的一篇精彩文章，談的是“太陽能結合電池”方案的最新實際運用情況。
因為我居住的亞利桑那州一年有300天以上都是陽光普照，我已經(jīng)敏銳意識到前面Worry曾簡短提及的電力公司“需量費率”；在亞利桑那州，有一些致力于推動屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)的倡導節(jié)能熱心人士，基本上就是為了反對電力公司強制實施“需量費率”。
在我看來，家庭以及小型企業(yè)用戶可通過采用電池而獲益，因為如Worry所言能因此降低“需量費率”的財務效應。
在亞利桑那州，以太陽能發(fā)電的家庭用戶供電網(wǎng)絡高度吃緊；太陽能發(fā)電在這里的沙漠是中午時間最具效益，但電力需求量尖峰時間則是在日落時分，因為這時候企業(yè)商家與家庭用戶都把空調開到最強(沙漠地區(qū)的情況跟美國東岸剛好相反，日落時分氣溫最高)。
所以問題在于，如果太陽能發(fā)電板沒有搭配電池儲存裝置，在午后用電需求尖峰時刻對電力公司來說無法提供有效的協(xié)助。于是現(xiàn)在亞利桑那州本地的電力公司積極慫恿用電戶采用電池技術，說明只裝太陽能是不夠的；而這樣的配套解決方案不只適用于亞利桑那州的極端案例，在任何地方都可以改善太陽能運用效率。
許多大型太陽能發(fā)電系統(tǒng)安裝者都反對電力公司的需量計費，以家用電池儲存系統(tǒng)搭配太陽能設備，還有像是可以避免大型家電同時運作的用電需求控制裝置、智能逆變器(smartinverters)、支持SEER/EER節(jié)能規(guī)格的新一代空調系統(tǒng)與可編程恒溫器，看來是能大幅降低電力公司的需量計費，為用電戶解決煩惱的方案。
（原文發(fā)表于EDN美國版，EDN臺灣版編譯）
