電動卡車水力發電供儲能用—瘋狂還是明智之舉?

作者 : Bill Schweber, EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

採用電動卡車運水下山,同時以再生煞車系統擷取勢能、卸載電力的這種「電動卡車水力發電」(ETH)發想,算是一種僅存在論文中「紙上談兵」的明智構想嗎?

有很多發想都是先被駁回和嘲笑,後來才終於被接受。舉例而言,當受人景仰的數學家都卜勒(Christian Doppler)在1800年初首次針對起於來源/接收端相對運動的頻率偏移提出分析時,他可不僅只是被嘲笑而已——甚至還被解除學校教職,而且幾乎是被逐出聞名的奧地利科學院(Austrian Academy of Sciences)。

另一種更複雜的情況是,美國太空總署(NASA)航太工程師John Houbolt提出交會月球軌道模組與「拋棄式」登月器的想法,以取代使用完整的獨立三階段登月器登陸後再從月球表面起飛回地球的方式。他的想法也曾經因為被認為不切實際且難以執行而被駁回,並被告知其「事情沒那麼簡單」。然而,最後,這卻成為唯一行得通的解決方案而且確實成功了。

基於這些理由,我經常很猶豫是否應該批評其他人的創新想法,尤其是坐在書桌和電腦鍵盤前只出一張嘴是如此輕鬆且方便。但有時確實必須懷疑一下某些重大構想的實用性。

這是什麼意思呢?最近,我剛好讀到了「電動卡車水力發電,一種針對山區水力發電的靈活解決方案」(Electric Truck Hydropower, a flexible solution to hydropower in mountainous regions)一文,發表於資訊分析公司Elsevier的⟪能源》(Energy)網站。作者列出的名冊包括來自十一個官方機構的研究人員,並由奧地利一個名為「國際應用系統分析協會」(The International Institute for Applied Systems Analysis)的「智庫」所帶領,而這名稱聽起來也是顯赫無比。無庸置疑,他們的完整發表論文看起來嚴謹且可信。

這篇論文的主旨針對使用水壩儲能以及產生電力發電,提出並分析替代解決方案。我們知道儲存大量能源是重大的挑戰,而且也是當再生能源成為更廣泛且可得的能源時必須解決的課題。水壩是選項之一,但除此之外還包括了電池、飛輪、融熔鹽相變以及提高/降低重量(引力)等等,每一種選項都有技術、執行和成本方面的缺點。

儘管水壩是可行且廣為使用的技術選項,但確實也存在需要龐大容量做為蓄水池的不利條件,而且還需要合適的座落處。在該文中提出了一項替代解決方案,包括從高海拔溪流中取水以填充儲存容器,並且用電動卡車將水運下山,同時將所載水的勢能透過卡車的再生煞車系統轉換成電力後,再儲存於卡車的電池中,如1所示。他們甚至為此取了一個看來十分專業的名稱:「電動卡車水力發電」(Electric Truck Hydropower;ETH)。

1:電動卡車水力發電系統示意圖。(a)讓空載的卡車上山收集裝滿水的容器,然後滿載著這些容器下山,透過再生煞車系統產生電力並儲存於卡車上的電池,以利後續轉換。(b)可能的ETH系統鳥瞰圖;相較於奧地利現行的傳統卡普倫(Kaprun)水力發電計畫,ETH系統可能更具靈活性。(圖片來源:Energy/Elsevier

最後,儲存在卡車電池中的能源會被「卸載」,而卡車淨空其所載運的水,然後將所回收的能源用於當地或送至電網。空載卡車會再度爬上山,取得足夠的水後再次開始另一趟循環週期。

這篇洋洋灑灑多達11頁的長篇大論中還加了針對該提案各方面的分析,包括以量化方式呈現損耗、討論、方程式、圖表、表格、曲線圖以及圖片解釋等。一切看起來似乎很清楚且明確。最後,他們還作出結論:這個完全不同的方法能以每兆瓦時(MWh)約30~100美元的成本,提供所儲存的水力發電。他們堅持這比每MWh需要50~200美元成本的傳統水力發電更便宜。無庸置疑地,一切聽起來真的極具吸引力且確實可行。

但我真的在想,如果不是徹底淹沒在大量假設資料和分析的噪音中(讓我們稱其為「樹」),這不正是一個更廣泛現實(即「林」)被混淆的情況——即「見樹不見林」?我在讀這篇ETH論文時,注意到他們也忘了一些現實世界的警告——我稱這些警告為「喔,好吧,別在意」(oh, well, never mind)因素:

  • 其中一道關鍵效益方程式已預先假設陡峭的山路平順好走。
  • 未將山路交通和充斥著重型卡車穿梭行駛的道路之維護納入成本分析中。
  • 文中假設電動卡車能自動駕駛,因而大幅降低了系統的固定成本。

在我看來,儘管提供了大量的分析數字,但ETH的許多現實面都被忽視了。即使是經驗老道的人類駕駛也認為山路難行,而我想我們離電動卡車自動駕駛走山路這目標還有一段遙遠的距離。即使交通不至於太繁忙,這些山路也會自然地損耗,而且每週7天每天24小時不停來往穿梭的繁忙卡車車流,很快地就會使得路況「分崩離析」。我認為建立和維護這些道路的成本、人員、設備和心血都將極其龐大。

自動駕駛卡車並非不切實際。事實上,自動駕駛卡車已經廣泛用於開闊的礦坑中,把礦石從地表下的礦坑帶到地面上來,但這些情況都用在寬廣、已完善工程且坡度和彎曲度平順的道路上。崎嶇的山區地面加上狹窄多風的道路,還要承受重型汽車不斷的干擾和濫用,則是非常不一樣的現實。

2:在澳洲西部,小松製作所(Komatsu)的自動駕駛拖曳卡車車隊來往穿梭,將從地底礦坑中將開採出的礦石帶到地面上(圖片來源:Mining Engineering/SME)

採用電動卡車將水運下山,同時透過再生煞車系統來擷取勢能、卸載電力並周而復始的這種ETH發想,算是一種僅存在論文中「紙上談兵」的明智構想嗎?或者,儘管有著卡車、崎嶇山路、每天24小時每週7天來回運作以及更多嚴苛情況的現實,仍然可能會有某些優點?打個比方來說,這是另一個詳述學術分析的案例嗎?文中使用大量假設資料以掩飾許多必須做的基本假設與估算,儘管其中存在廣泛的誤差帶,仍然選擇最有利的結果嗎?這算是一個進行了非常徹底地分析後才將一切視為合乎邏輯且合情合理、直到足以退一步並深呼吸的案例嗎?

我是一個經常抱持懷疑論的人,不過,就像大家說的「世事無絕對」(never say never),凡事皆有可能。許多在一開始看起來還更瘋狂的想法,如今已經在許多案例中被證明可行了。

(參考原文:Electric truck hydropower for energy storage—brilliant, crazy, or both?,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年9月號雜誌

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