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迎接再生能源 我們需要更彈性的電力系統

再生能源乾淨環保、成本低廉,但不穩定的發電量,使再生能源被缺乏彈性的舊有電力系統排拒在外。為了迎接再生能源潮流,如何才能使電力系統更加具有彈性,而令人在意的系統更新代價又是如何呢?

電力系統的「彈性」

想將更高比例的再生能源整合入電力系統時,不僅要考量再生能源設施建置的進程與比重,為了因應再生能源不穩定的發電量,電力系統必須擁有更多的「彈性」。

電力系統的「彈性」意指:在最具成本效益的條件下,穩定地因應供需兩端的變化量,並持續服務消費者的能力。

電力系統越有彈性,再生能源發電量的起伏也無損於電網,才能保障供需安全。國際能源總署(IEA)認為,翻新電力系統的總成本僅略高於堅守舊式系統,長期來看甚至可能比排拒再生能源的系統更廉價,守舊即輸家。

當再生能源遇上傳統電力系統

電力系統中的再生能源發電量比例較高時,傳統能源發電廠需要配合這些發電量來升降載,所以傳統能源發電量將如下圖的灰色區域一般起起伏伏。如何因應這樣的發電量變化,便要靠製造彈性的各種技術了。這些技術才是彼此的競爭對手,而大型煤、核電廠等基載容量將退場或轉為備用容量,能源轉型後的未來將基載的觀念置諸腦後。

根據Agora智庫的預估,未來的彈性電力系統已不適用傳統的基載觀念。能提供彈性的技術才是彼此的競爭對手,基載容量可謂是備而少用。來源:The integration of wind energy when paving the way for renewables in Germany,Agora

讓電力系統更彈性

在任何電力系統中,都有增加彈性的好幾種做法。

協助電力系統更有彈性的技術可分為六種類別(如下圖),其中的技術有:需求反應(如:時間電價,尖峰時間電價高,離峰時間電價低)、能快速升降載的天然氣機組、智慧電網等。儘管增加電網彈性的技術成本不同,但改善制度才是最便宜的選擇。

台灣的再生能源發展仍需加強相關硬體建設,不過最便宜的彈性選項其實是透過法規改造「售電市場」與「發電系統的營運」,如:透過保障綠電優先入網的制度來開放售電市場,與規劃適合再生能源發電的電網規範(grid code)等。

六種能增加系統彈性的類別如上:系統營運、市場、負載、發電、電網、儲能。其中可見樹立規範來改善營運與市場是最便宜的選項。每種技術的實際成本高低仍要以個案來考量。來源:Integrating Variable Renewable Energy into the Grid,USAID。

國際能源總署(IEA)也預告了未來的電網型態,再生能源與足以即時調控供需電量的智慧電網將是硬體系統的主角。

國際能源總署也認為,整合5%至10%的低比例再生能源至電網中不成問題。圖片來源:Renewables Grid Integration and Variability,IEA。

增加彈性這樣做

各個國家都有因地制宜的彈性選項。以德國為例,德國電力系統增加彈性的選擇是跨國電網、汽電共生、天然氣廠等,其中最重要的選項是與他國電網互連。

各國的彈性選項不同,德國最重要的彈性技術是與他國電網互連。來源:Flexibility in 21st Century Power Systems,NREL。

在德國,尖載*的黑煤電廠於風電量大時因為高成本被關閉,核電、褐煤等基載*電廠也以最小量運轉,此時的電價跌破零元。為了解決負電價與棄風的問題,德國將興建更多電網,讓系統更健全。德國政府也發布了推廣智慧電錶的指令,年用電量超過6000度的家庭從明年起都需安裝智慧電錶。在不久的未來,德國就能透過智慧電網來監控系統的軟硬體安全*

由德國2011年2月的單週發電量可見,風電量(綠)不但壓縮尖載電廠的空間,也縮減基載電廠的電量,使之起伏不定。來源:Flexibility options in electricity systems,ECOFYS。

德國將興建更多電網,確保更多北德的風電量能被輸送到南部。來源:The integration of wind energy when paving the way for renewables in Germany,Agora。

再以丹麥為例,風電量小時,丹麥的汽電共生廠可以大量供電與熱予消費者;風電量過大時,汽電共生廠與電鍋爐則將電轉為熱能來供暖氣、熱水,或是儲熱備用。

風電量(淡藍)小時,汽電共生廠可以大量供電和熱(紫和深藍)予消費者;風電量過大時,汽電共生廠與電鍋爐則將電轉為熱能。來源:The power of transformation,IEA。

轉型之利

主管英國輸電系統的國家電網公司(National Grid)執行長也認同Agora智庫的預估,宣稱大型基載電廠的觀念已經過時了*。根據國際能源總署的研究,就算缺乏跨國電網,轉型為一個硬體健全、法規完善、彈性滿點的電力系統,其成本只比不含再生能源的舊系統增加11美元/千度,也比缺乏彈性的電力系統便宜,可見技術與法規相輔相成的電力系統可有效降低系統成本,讓社會以溫和的代價達到轉型目標。

在再生能源佔45%的獨立系統裡,彈性優良的電力系統成本最低為97美元/千度,比0%再生能源系統(0% VRE,以煤電、天然氣、核電為主)增加11美元/千度,也比含有再生能源但缺乏彈性的電力系統(Legacy)便宜。在IEA的研究模型中,此獨立系統沒有跨國電網。來源:The power of transformation,IEA。

長期來看,一個轉型成功的新式彈性電力系統,不但能因應供需電量的變化,甚至不需社會付出任何額外的系統成本!這是未來的再生能源價格滑落與碳價上漲之故。據國際能源總署推測,這種新穎的彈性系統甚至還可能比毫無再生能源、僅有化石燃料與核電的守舊系統更廉價。

為求建立彈性的新式電力系統,不只需要硬體升級與擴建,還要立下足以立即因應電量變化的制度規範。硬體升級首要之務便是設置足夠的電網與智慧電錶,而如何創造出適合新硬體的法規與有彈性的市場,則需要政府規劃相關法條,如:綠電優先入網等。理想的轉型能讓系統內各軟硬體通力合作,彈性地調控發、輸、配、售電端的變化,唯有如此才能盡量降低新系統的額外成本。希望台灣也能邁向國際能源總署預期的前景,藉由成功的電力系統轉型創造非核家園。

註解

  1. 尖載。機組需滿足可長時間連續運轉且發電成本低之特性,如核能及燃煤火力等。來源:電力小辭典
  2. 基載。尖載機組必需具起、停快速之能力,可適時增加出力,滿足 尖峰用電需求,如抽蓄水力、水庫式水力及氣渦輪機等。來源:電力小辭典
  3. 整合:全球能源市場的過渡與變革,Underwriters Laboratories。
  4. Steve Holliday, CEO National Grid: “The idea of large power stations for baseload is outdated”,Karel Beckman,2015/09/11
引用來源:環境資訊中心