2018年5月3日 星期四

由「彈性」和「殘載」引發的全新電力調度思維

"在德國、丹麥、加州、澳州等能源轉型步伐領先的地區,漸漸不再使用基、中、尖載區分電力來源,改以「彈性」做為指標,依電網殘載曲線找出最適當的調度方式。"

文/顏東白(前台大學生會永續部部長)

 2017和2018年交接發生的兩件事,顯示傳統電力思維正面臨劇烈轉變,首先是特斯拉(Tesla)在澳洲落成的超大鋰電池廠,以破紀錄的140毫秒向當地電網輸送100 MW電力,化解了燃煤電廠跳機的意外。再來,是德國在一月初首次達到再生能源電力足以供應全日用電需求的里程碑。
 種種跡象都顯示:當再生能源成為供電主力,「彈性」「殘載」將成為未來電網運作的重要指標。
Tesla去年底在澳洲啟用的世界最大電池廠,成為一時話題。 (圖片來源:法新社

變革一:電網「彈性」愈加重要
 什麼是「彈性」(flexibility)?國際能源總署(IEA)定義是:「電力系統因預期、或非預期的系統變異,改變電力供需的程度。」有些定義著重各別發電系統或電力需求者的反應能力。當「變異型」再生能源(Variable Renewable Energy,如太陽能和風能)大規模進入電力系統,這種能力至關重要。
 直觀上,彈性是為滿足電網的供需平衡,無論任何時刻,管理者都希望電力的「需求」(負載)應和「供應」取得平衡。除了電力流量多寡,電網系統的電壓和頻率也得隨之做出反應。隨著技術成熟,再生能源和儲能電池漸漸可以勝任上述任務,在某些情況下甚至做得比傳統電廠好,例如頻率反應。目前最令人期待的便是電池技術,特斯拉在南澳的電池廠便提供不少成功案例
 但持平而論,要維持電網整體供需平衡,現階段再生能源搭配電池仍力有未逮,主因是大規模的儲能設備成本太高,所以這個任務還是得仰賴傳統電廠。
搭配電池設備的再生能源,可提供電網系統更多彈性。 圖:作者製
變革二:用「殘載」審視供需平衡
 另一重要觀念是「殘載」(residual load),在某些文獻中被定義為:「電力系統的需求負載,減去再生能源電力的剩餘負載。」這個陌生字眼,近年在歷經能源轉型的先進國家不斷被討論。
 傳統電力調度思維多認為核能、燃煤應盡可能滿載,即是大家常聽到的「基載電力」選項,剩餘負載交給燃氣和水力,即所謂的「中載」或「尖載」。可是,上述模式愈來愈難以適用當今狀況,比方,若按彈性能力區分,易啟動的水力發電可算尖載,但從發電成本來看,成本較低的水力又算基載,同樣條件也可套用在幾乎是零發電成本的風力和太陽能身上。
 在德國、丹麥、加州、澳州等能源轉型步伐領先的地區,漸漸不再使用基、中、尖載區分電力來源,改以「彈性」做為指標,依電網殘載曲線找出最適當的調度方式。若以此區分傳統電力,燃氣的彈性最佳,硬煤和褐煤次之,最差的反而是核能機組。
在能源轉型的先進國家,「殘載」(褐色)是觀測電網供需平衡的重要指標。圖:作者製
 值得注意的是,要引導傳統電廠配合殘載,良好的批售市場制度非常重要。當再生能源供應量大增,導致批售電價呈現負數時,才能誘導傳統電廠大量降載或直接關機另一方法是以「裝置容量市場」(capacity market)制度獎勵業者,避免其落入不發電就會沒錢賺的窘境。
變革三:全新的電力「調度」概念
 把鏡頭拉回台灣,此刻我們得擔心上述彈性、殘載問題嗎?顯然言之過早了。根據IEA的分類,台灣目前還處於變異型再生能源併入電網四階段的起步期,首要之務是公開資訊,並處理再生能源優先併網的相關制度和法規問題。
 當然,假使台灣的2025再生能源推動目標(供應20%電力)如期達成,我們遲早會進入第二階段。到時候,各地區的再生能源電力輸出預報就很重要,讓傳統電廠有辦法反應相對應的殘載和彈性需求。
IEA定義的變異型再生能源發展四階段,台灣目前應處於第一階段。 圖片來源
 為給大家更具體感受,這裡根據我一份期中課堂報告推估的2025夏天台灣電網殘載狀況,並提供兩種電力調度情境互相對照。在第一種「低碳情境」,燃氣將成為填補殘載的主力,超過特定上限後才啟動硬煤機組。第二種「低價情境」下,無時無刻都有硬煤機組在線上,每日容量根據該日尖峰殘載調整,以燃氣機組瞬時發電量不超過特定上限為原則。很明顯的,「低碳情境」的硬煤比重將小於「低價情境」,電力排碳係數也更低。
 講了這麼多,一個需要不斷強調的觀念是:大量的再生能源併網,並不會造成供電穩定性和風險的顯著變化。台灣毋須妄自菲薄,也不必在還沒學會走路、就急著擔心怎麼賽跑了。
「低碳情境」(上)和「低價情境」(下)的主要差異,在於燃煤電力(紅線)多寡。 圖:作者製
   
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