#跟著科學生讀國一　除了善用太陽能、風力、水力來發展再生能源、開拓新的發電方式外，竟然還能用空氣發電！
　
麻州大學的研究團隊，利用特殊微生物（Geobacter sulfurreducens）產生的蛋白質奈米線，打造出不到十微米厚的 Air-gen 空氣發電機。
　
科學家們究竟是如何靠著這個薄片，創造新的發電方式呢？
　
#溫故知新
　
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「綠燈不是綠燈」之919供電驚魂記

本月19日適逢週六，下午5點半左右，天候良好但黃昏已近。多數人可能還在享受悠閒的午後時光，有些家庭可能正要開始準備晚餐，有些家庭則可能準備出門外食。不過，台電公司調度處此時正處於人仰馬翻、戒備緊繃的狀態，因為就在幾分鐘前，位於花蓮的民營和平電廠內兩部機組，在現場出現雷擊的意外後，電力無法對外輸送而導致跳機。

依據台電官網公布的資料，當天供電的瞬時尖峰負載為3248.6萬瓩，最大供電能力為3580.3萬瓩，備轉容量為331.7萬瓩，因此備轉容量率為10.2%。值得留意的是，當天台中電廠8號機、通霄電廠1號機與3號機正在進行歲修，台中電廠3號機則尚未重啟，大潭電廠2號機、大林電廠6號機、海湖電廠1號機、豐德電廠2號機、協和電廠3號機均適逢檢修，但備轉容量率仍能維持10%以上，主要是因週末的預估尖峰用電量本就不高。

機組跳機前（17:30），全國即時用電量為3084萬瓩，依官網數據，此刻的即時備轉容量甚至高達496.3萬瓩。於此同時：
- 和平電廠2部機組發電量：120.1萬瓩
- 汽電共生發電量：106.5萬瓩
- 太陽光電+風電：46.0萬瓩
- 抽蓄水力發電量：85.2萬瓩 （5部機）
- 核電廠6部輕油氣渦輪發電機發電量：0
- 台中電廠4部輕油氣渦輪發電機發電量：0

機組跳機後（17:40），全國供電量瞬間短少120萬瓩，即時用電量卻略降為3062萬瓩，即時備轉容量反而因此略升至518萬瓩，在備轉容量遠高於短少電量的情況下，供電理應不成問題。此時，汽電共生發電量下降近39萬瓩，抽蓄水力發電量大幅增加了112.5萬瓩，但供電頻率開始出現下降情況：
- 和平電廠2部機組發電量：0
- 汽電共生發電量：67.6萬瓩
- 太陽光電+風電：39.7萬瓩
- 抽蓄水力發電量：197.7萬瓩 （9部機）
- 核電廠6部輕油氣渦輪發電機發電量：0
- 台中電廠4部輕油氣渦輪發電機發電量：0

然而，跳機約一小時之後的18:30，即時用電量上升至3118.9萬瓩，和平電廠機組仍未修復，降壓、降頻供電已經啟動，燃料成本高昂的輕油氣渦輪機組（核電廠與台中電廠內機組）上線支援：
- 和平電廠2部機組發電量：0
- 汽電共生發電量：114.0萬瓩
- 太陽光電+風電：14.8萬瓩
- 抽蓄水力發電量：201.0萬瓩 （10部機）
- 核電廠6部輕油氣渦輪發電機發電量：20.0萬瓩
- 台中電廠4部輕油氣渦輪發電機發電量：21.8萬瓩

又過了10分鐘後的18:40，即時用電量變動不大，小降至3115.3萬瓩，和平電廠機組依舊未修復，降壓、降頻供電啟動中，輕油氣渦輪機組持續支援：
- 和平電廠2部機組發電量：0
- 汽電共生發電量：87.7萬瓩
- 太陽光電+風電：12.7萬瓩
- 抽蓄水力發電量：214.2萬瓩 （10部機）
- 核電廠6部輕油氣渦輪發電機發電量：22.7萬瓩
- 台中電廠4部輕油氣渦輪發電機發電量：22.6萬瓩

至此，全台可用於發電的機組已全部上線，且多數接近滿載運轉，少數甚至已超載運轉。直到當天深夜，即時用電量進一步下降，狀況逐步緩解，降壓、降頻供電措施停止。台電調度處經過一番努力，總算有驚無險、度過難關，保住政府顏面。

重點來了，扣除歲修機組與檢修機組後，當日備轉容量率仍有10.2%，備轉容量為331.7萬瓩，傍晚的即時備轉容量甚至高達465萬瓩，瞬間短少120萬瓩供電，根本不是問題，何以必須讓全台成本高昂的抽蓄水力機組與輕油機組全開，並大幅提高汽電共生的發電量？

這得歸咎台電對於備轉容量率的計算方式。現行作法是太陽光電與風電發電量都可計入每日最大供電能力中，而備轉容量率又是以最大供電能力扣除最大用電量（即前述的瞬時尖峰負載）後，再除以最大用電量得之。因此，當光電的預估發電量被計為250萬瓩時（夏季幾乎均如此），也會同時膨風919當天的備轉容量率7.7%，而尖峰負載出現時，實際待命可隨時加入運轉的機組容量僅有2.5%，約82萬瓩；當天傍晚實際待命可隨時加入運轉的機組容量則為215萬瓩。

也因此，和平電廠兩部機組在傍晚太陽光電已無法供電之際，瞬間短少120萬瓩發電量的影響才會如此之鉅，因為實際備轉容量已瀕臨90萬瓩的「限電警戒」紅燈。如果當天太陽光電供電能力是以更高的260萬瓩計入最大供電能力，那麼跳機事件發生後，紅燈已經亮起，調度處當時的人仰馬翻便可理解了。

幸運的是，台電的救急措施奏效了，未被計入備轉容量的核電廠輕油機組的22萬瓩，加上汽電共生臨時增加的44萬瓩，解除了當時的燃眉之急，和平電廠兩部機組也在次日迅速恢復正常供電。順帶一提，夏季通常風況不佳，風電可計入的最大供電能力比例偏低，一般不到0.5%。

「919驚魂記」最後雖然以有驚無險做結，但凸顯的問題絕不能輕忽。備轉容量率10.2%的供電綠燈，在現行的計算方式下，並無法真正代表供電充裕。當「綠燈不是綠燈，救急不能常態」，主事者必須務實面對，萬不可畫餅自嗨當鴕鳥！

上圖為抽蓄水力發電17:30狀態，下圖為18:40狀態

廢棄礦坑有望變身重力儲能系統，蘇格蘭將打造 250KW 先導儲能電廠， 為2021年正式啟用4MW全尺寸系統做暖身！（05/13/2020 TechNews科技新報）

（作者 Daisy Chuang）廢棄鑽井平台與礦坑也有另一春，最近蘇格蘭新創 Gravitricity 就打算在愛丁堡利斯港打造一座 250KW 重力儲能先導電廠，利用重物位能帶動發電機來發電，進一步儲存當地多餘的再生能源電力。

這項儲能技術和抽蓄水力有點類似，只是蓄水電站的重力媒介是「水」，藉由調整水位來儲電，當電力生產過剩時，便可趨動電動抽水泵，把水輸送至地勢較高的蓄水庫，電力需求提高時，就能把水閘放開，蓄水庫的水依地勢流往原先位置，借水勢能推動水道間的渦輪重新發電。

而 Gravitricity 的重力媒介是 500-5,000 公噸的「重物」，主要是善加利用廢棄鑽井平台與礦井，在 150-1500 公尺長的鑽井中重複吊起與放下 16 公尺長的鑽機（Rig），透過電動絞盤，先將鑽機拉到廢棄礦井上方，需要用電時再讓鑽機直直落下，進而「釋放」儲存起來的電力，概念與抽水蓄電廠雷同，也一樣具有穩定與調度電網的功能，而它還可以控制落下速度延長電力釋放時間。

Gravitricity 聲稱可以在一秒鐘之內快速反應並提供電力，速度和鋰離子電池一樣，可將電網頻率穩定在 50Hz。其中電網頻率是供需平衡的指標，表示電網交流電的頻率，在台灣這種震盪每秒發生 60 次，因此電網通常採用 60Hz，頻率越低，傳統發電廠就越難將電力輸入電網，而鋰電池不會有這個問題。

根據官網，這項技術的使用壽命約 50 年，期間並不會因為運作多年出現性能損耗，效率最高可達 90%，每個案場可配置 1 至 20MW 容量，輸出持續時間為 15 分鐘至 8 小時，研究人員指出，理想設置地點為廢棄礦坑。

Gravitricity 預計在 10 月開始在屬於封閉式深水港的利斯港口打造先導電廠，成本約 100 萬英鎊，大概會在 12 月完工並連接到電網進行後續評估，其中政府機構創新局（Innovate UK）資助了 64 萬英鎊。

據計畫，先導案場中會有兩個 25 噸重的鑽機，Gravitricity 工程師 Miles Franklin 表示，這項計畫會讓團隊的模型與概念方向更為明確，為 2021 年的 4MW 全尺寸重力儲能系統鋪平道路。

而說道重力儲能系統，不得不提的是在美國與瑞士設總部的 Energy Vault，該技術是先把一塊塊 35 公噸重的混凝土磚堆成一座高塔，需要用電時再讓頂層的起重機把水泥磚移到下方，目前該公司在 2019 年 8 月獲得日本軟銀 1.1 億美元的資助。

奧地利國際應用系統分析研究所（IIASA）也有推出類似研究，只是重力媒介從鑽機、水泥改成砂石，運用陡峭山坡的地勢，在用電量低時用發電機將砂石運到位於山頂的存放地，用電量高時再把砂石運回地面，而這種砂石重力系統也可以跟一般的水力電廠結合，讓水與沙石能同時、或是以互補的方式儲存電力。

介紹影片：
Latest Gravitricity Explainer - Extended Animation - Spring 2020
https://vimeo.com/394206540

更多相關資訊：
Storing wind and solar with new gravity-based system
https://www.pv-magazine.com/2020/05/11/storing-wind-and-solar-with-new-gravity-based-system/

Gravitricity
https://www.gravitricity.com

完整內容請見：
https://technews.tw/2020/05/12/gravitricity-250kw-prototype-facility/

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