一、前言
美國大選結束，新任總統川普就任，提出美國製造回歸再偉大的相關計畫，川普2.0政策方案內容對綠色能源發展與減碳淨零大方向或許造成潛在的衝擊；但綜觀整體全球的減碳淨零大趨勢推波下，工業減碳仍舊是有無限商機。乾淨能源需求有增無減，而要儲存大量的乾淨能源需要很多的電池，常用鋰電池儲能產品相當炙手可熱。除目前熟知的鋰電池儲能產品外，有專家提出另一種儲能電池解決方案，將綠色能源轉換成熱能，或將餘熱儲存於儲熱介質材料為主體材料中，達成熱能儲存目的，有需求時再把熱能轉換成電能或直接利用熱傳導使用。加上熱儲能材料其成本低，為工業與一般民間節能開啟另一低碳儲能的新世界。
二、熱儲能電池為減碳淨零解方之一
根據國際能源署IEA 2023年評估，目前全球再生能源技術包含海洋能、集熱式太陽能(CSP)、地熱、生質能、水力、風能與太陽能，其再生能源總發電量約為3,865 GW，而太陽光電與風能發電占比為63%；到2030年，預估再生能源總發電量將達到11,174 GW，而太陽能與風能將占80%以上。然而，占比最大的太陽能/風能等再生能源有著間歇性能源供應問題。IEA進一步評估若再生能源使用比例越高，則儲能系統建置越重要，足夠的儲能系統才能支援長期穩定電力能源供給。另外，在經濟部公布的台灣2050淨零轉型【電力系統與儲能】關鍵戰略行動計畫中提到，長時間儲能技術(Long Duration Storage)發展對於台灣再生能源移轉儲存應用發展至關重大。對於長時間儲能技術發展需要關注於擴大儲能容量、安全規範重要性及最新儲能技術發展等，新儲能技術應用將有助於整體能源供應的擴展與穩定以利永續發展。
目前儲能技術包含三種，電化學儲能(如鋰電池儲能)、機械儲能(如水利抽蓄)及熱儲能。除前兩項目前廣泛應用外，熱儲能應用也在歐美逐漸建構中且具市場潛力。熱儲能電池(Thermal Energy Storage)目前在業界有多種應用，包括:工業減碳、冷凍空調系統、能源調度管理等。熱儲能電池可以將風能、太陽能與地熱能等可再生能源轉換為熱能，並加以儲存，根據需求再將熱能輸出或轉換為電能使用，此技術具有低成本及儲電量大優勢，能夠有效降低工業生產碳排。在冷凍空調系統應用中也被廣泛使用，能在低負載時儲存冷能，在高負載時釋放冷能，從而減少主機設備容量，節約能源並平衡電力負載。在能源管理方面，熱儲能電池可在電力需求於離峰期間或低谷時，進行多餘電力能源儲存，在尖峰負載需求高的時期，進行電網負載平衡，提高能源利用效率；也可與再生能源結合，將間歇性的可再生能源如風能或太陽能轉化為穩定熱能並在需要時釋放，有助於提高可再生能源的利用率。
美國熱電池新創公司Rondo Energ營運長布里格斯提到，熱儲能電池是吸收來自風能和太陽能等乾淨能源並將其儲存為熱能，然後根據產業客戶的需求，以具有成本效益的方式提供能源。除此之外，還能將過剩電力如離峰電力或利用其他再生能源如生質能、地熱能等以熱能方式儲存。經過一段儲存時間後，藉由直接熱釋放或熱轉電方式輸出使用。
圖一 再生能源(太陽能發電)結合熱儲能電池系統
資料來源：Rondo Energy官網(2025/03)
三、熱能儲存材料種類
熱電池存能系統中最關鍵的部分為熱能儲存材料。熱能儲存材料可依不同物理化學儲熱特性區分成：顯熱型(Sensitive Heat Storage, SHS)、潛熱型(Latent Heat Storage, LHS)及熱化學型(Thermal Chemical Storage, TCS)等熱儲能材料。
顯熱型儲熱材料，依據某些介質材料的溫度變化，在絕熱系統下，進行熱儲存，這些材料相較下也較便宜易取得，例如岩石、矽砂、混凝土、陶瓷磚、熔融鹽類(如硝酸鈉、硝酸鉀)等，這類型的存儲是三種熱儲能類型中最直接也是最具商業價值的，其技術成熟且材料選擇多樣，並適用於較廣泛的溫度區間。顯熱型熱儲存材料，其缺點在於儲熱容量受限於儲存介質的比熱容(Specific Thermal Capacity)較小，造成其儲存能量小，需建置較大的系統設計，才能發揮儲存最大效果。
潛熱型儲熱材料使用相變材料 （Phase Change Materials，PCM）作為熱儲存，其特點是在轉變過程中，在材料溫度不影響情況下，藉由吸收熱能儲存熱量並釋放熱能，相較顯熱型材料，可儲存的能量較高，且能在相對較小空間下儲存更高容量，展現出顯著優勢。由於儲熱過程相變化熔點是等溫的，因此可以挑選具有所需溫度範圍的材料。相變熱儲存材料種類包括有機相變材料( 如聚合物、凝膠)、 無機相變材料( 如石蠟、鹽類、金屬合金、矽)等。有機相變材料的腐蝕性較小，不易發生相分離；無機材料較不易燃燒、更便宜且使用範圍更廣，還具有更高的存儲容量和導熱性。每種材料都有不同的特性，這有利於各種不同環境系統設計。但相變熱儲存材料的缺點在於其導熱性低，需要額外熱交換器提高熱傳效益。另外，相變材料封裝也是重要技術，有些材料比其他材料更容易受到侵蝕和洩漏，所以系統必須經過精心設計，以避免不必要的熱量損失。
圖二 以矽為例，不同溫度的顯熱區與相變化潛熱區域。
資料來源:1414 Degrees 公司報告(2023/10)
熱化學儲熱材料，其儲能特性涉及吸熱放熱的化學反應、吸附、脫附等反應，依據反應物的不同，可以得到比潛熱型材料更高熱能儲存容量。所使用的材料為金屬氧化物(如氧化鉀、氧化鉛，氫氧化鈣、氫氧化鈉)、 有機化合物(如亞硝醯氯)、 無機化合物(如沸石、矽膠)。目前熱化學儲熱材料及其系統仍屬於開發階段，雖然儲熱能量比潛熱型更高，但在某些應用中，其長時期儲熱效果仍在研究中。
表一 顯熱型、潛熱型、熱化學儲熱型等各種儲熱材料比較表
資料來源: 工研院材化所整理(2025/06)
四、熱電池產業應用與近況
美國Endo Energy長時儲能熱電池系統，結合風力或太陽能等再生能源，使用石墨磚做為儲熱介質材料，並在絕熱金屬儲罐中加熱石墨磚，石墨磚溫度可達約1000攝氏度進行電轉熱能的儲存。儲存周期約為數小時至數天。利用空氣輸入輸出進行熱交換，將熱能釋放直接使用或進一步轉成電能使用。此熱電池系統可24小時作業，電池壽命據估計可達40年。目前在美國、歐洲、亞洲已有多個商業案例，例如Calgren Renewable Fuels(生質燃料化工減碳生產)，Green Lab(結合風力能源供應)，Siam Cement Group(水泥業低碳製造)。
圖三 Rondo Energy 石墨磚熱電池系統結合再生能源與電網運作示意圖
資料來源：Rondo Energy官網(2025/03)
美國Malta Inc. 長時儲能熱電池系統稱為Steam Energy Management and Storage(SEMS)，可結合工業、電廠、風力或太陽能等再生能源，使用熔融鹽類做為熱源，並利用水作為冷源，將電能轉變成熱能儲存。儲存周期約為數小時至數天。利用潔淨蒸汽進行熱輸出，並利用朗肯循環(Rankine Cycle)機制將熱能轉化作功，形成電力或是直接熱能使用。電池壽命據估計可達30年以上。目前商業案例有Bechtel合作間歇性再生能源轉化儲存、Southwest Research Institute熱能儲存系統示範設施。近期與BBVA金融服務集團合作備忘錄，擴展歐洲創新儲能方案，促進歐洲能源韌性。
圖四 Malta Inc. 熔融鹽熱電池系統結合再生能源運作示意圖
資料來源：Malta Inc. 公開文件(2023)
以色列Brenmiller Energy(bGenTM)熱電池儲存系統，利用天然碎石當作熱儲存媒介，在高溫下(加熱至750攝氏度)收集儲存大量熱能；該系統可允許收集間歇式再生能源、回收工業餘熱、收集多餘蒸氣或煙氣作為熱輸入，並進行儲存。儲存時間約數小時至數天，熱損失約每小時0.1%。以穩定的蒸氣或壓力進行熱輸送，快速的溫升溫降可以優化效率避免大量熱損失。24小時與7天的全天運行，可超過30年無限次循環運行。提供商用10 MWh-1000 Mwh容量熱電池模組。目前商業案例包括為當地飲料公司Tempo Beverages(海尼根為其股東)，興建30 MWh熱儲存系統取代石化燃料能源，減少6200噸碳排量並節省能源支出費用；當地醫院採用其熱儲存系統取代天然氣供應，減少約3900噸碳排並節省燃料費用。最新消息指出預計開發並推出下一代導熱油加熱解決方案(bGen ZERO Thermal Oil, bGen ZTO)。其運作機制在內部進行電轉熱並將熱油加熱至340攝氏度，在無降解狀況下運行。預期循環效率可再提高至100%，可應用在製藥、化工、石化與食品加工，預計2026年商業化。
圖五 Brenmiller Energy 天然碎石熱儲存電池系統
資料來源：Brenmiller Energy(bGenTM) 官網(2025/03)
芬蘭 Polar Night Energy 的Sand batteries沙電池熱儲存系統，利用大量矽砂作為儲熱媒介，將電網多餘電力加熱含有沙子的熱交換器至600攝氏度，可進行多個月的熱儲存，之後再以熱形式使用或轉換成電力。對於歐洲高緯度的國家，沙電池系統在製暖上是好的應用，利用系統加熱輸出熱水或蒸氣進入社區供暖，也可減少燃料或電力的使用，並減少碳排。而沙子再與工業用碎皂石混合使用，可以增加導熱行為，提升熱循環效益。
圖六 Polar Night Energy 沙電池熱儲存系統(2MW/10MW充電規格)
資料來源：Polar Night Energy官網(2025/03)
2018年美國麻省理工學院機械系，提出結合再生能源的新型能源儲存系統概念，目的為依據電力需求，將儲存電力調度至電網中，達成24小時全天候為小城市供電。電力儲存方式是利用含有熔融矽的大型熱絕緣石墨儲罐，稱為TEGS-MPV。利用太陽能產生的電力加熱矽，此時加熱溫度最高可達4000華氏度(約2200攝氏度)轉化成熱能儲存。傳統上，需要時再利用熱交換器進一步產生蒸氣，轉動渦輪發電輸出；但在此新型系統中，將高溫熔融矽透過泵傳送至管道並發出光，再進一步由光轉電輸出。此方式可以結合太陽能場或風力場運行，預計可供應10萬戶24小時電力使用。
圖七 結合太陽能與風力場的熔融矽熱電池系統
資料來源：MIT 與Extremetech網站(2018/12)
五、總結
熱電池儲能系統相較於鋰電池儲能系統，其優勢在於無須大量開採礦源如鋰、鎳、鈷、錳等常見於鋰電池金屬礦，這可大大減低因開採所需的水資源與能源，大幅降少開採的碳排與耗能。另外，熱儲能電池可結合石化、化工、食品、再生能源、地熱等會產生大量熱能或廢熱等，進行熱儲存回收及再利用於生產製造中，減少石化燃料的依賴。在民生用途中，也可以結合熱電池儲能系統解決供暖的問題。基本上，電池壽命可達30年以上。然而，熱電池應用技術仍有改善的地方，例如，儲存的熱能轉換成電力時，其轉換效率低會影響電網儲能的應用、體積重量大在推廣應用上會有所侷限、儲存過程隔熱問題所造成的儲存熱損失等等，這些限制可能影響熱電池儲能推廣應用的因素。綜觀以上，熱電池系統應用正逐步起飛，目前正推廣應用於歐洲、美洲等等，在除了現行的儲能系統解決方案中如重力儲能(如抽水)、電化學儲能(如鋰電池、液流電池)等，熱能儲存方案也將對未來淨零減碳目標有所貢獻。