當電網有了智慧─智慧電網的N種可能

作者: 
主婦聯盟環境保護基金會

當電網有了智慧─智慧電網的N種可能

今年8月初由於和平電廠電塔倒塌,造成電發得出卻送不出的困境,讓台電亮起今年首度的限電警戒紅燈。但危機亦是轉機,這次事件也讓台灣社會再次注意到,除了發電方式之外,電網的輸配送亦是供電穩定性的重要議題。此外,未來大量的再生能源併網和自動需量反應節電措施的諸多需求,讓電網的雙向資訊流通性、自動偵測與用電控制等智慧功能越來越受到重視。智慧電網目前在台灣的發展狀況如何?未來是否能在能源轉型中扮演重要角色?

本會特別邀請到中央大學電機工程學系的林法正教授,談談台灣在發展智慧電網的嘗試、挑戰與限制。林法正教授自2009年起擔任能源國家型計畫智慧電網主軸計畫召集人,曾任台灣智慧型電網產業協會理事長,現為名譽理事長,於台灣智慧電網的學術研究與實務推動上都有豐富的產出和殷實的經驗。

以集中式發電為核心的電力系統 轉型會面臨許多挑戰

林法正教授一開始就直接從電力能源系統及電網切入,說明目前全世界都以集中式發電為核心,以此為核心發展出的電力系統已經超過了100年,所有電廠、電網的佈建及調度都是以大型集中式發電廠為中心,台灣也是如此。而我國政府預計2025年的再生能源佔比要到20%,並且提高一般大型機組的運轉效率,屆時台灣的電力系統會從集中型的能源系統變成分散型的能源系統。這是非常大的改變,在這樣的狀況下,過去著重的能源供應面管理,必須因此變成強化能源需求面的管理。距離2025年的目標只剩不到10年,這將會是能源轉型一個重要的課題。

目前台灣的再生能源占比不到2%,所以絕大部分的人沒什麼感覺。但是近幾年有越來越多再生能源加入,台電的電網也開始因此遇到一些挑戰。例如說太陽能板所產生的直流電,未來的作法是採用智慧變流器,把太陽能板的電力從直流電轉換成交流電,且必須接受一定程度的實虛功率控制,才能併網。林法正教授預測,未來5年會經歷劇烈的變化,主要是來自於大量的太陽光電跟風場的逆送電,因此電流限制以及利用儲能設備作為調度就會變得非常重要。

林法正教授舉例,特斯拉(TESLA)在澳洲的南澳設置了儲能設備,是在能源需求較少的晚上進行儲電,白天能源需求較多的時候售電。這是因為晚上風力發電比較多,但夜間使用需求較少,所以可以把電力存起來再賣。但相較之下,台灣未來的儲能設備可能是白天以太陽光電來充電,晚上就可以使用這些電力。儲能設備(電池)是電網調度相當重要的工具,也可以用來克服能源的間歇性問題,尤其是離島的獨立電網,就非常需要儲能設備來搭配。

智慧電網:監控、管理調度及儲能設備

講到智慧電網,就不能不提區域能源管理體系的重要性。這是因為台灣各區域的能源利用特性與再生能源各有其特色。例如北部是能源的需求中心,中部有離岸及陸上風力發電資源,南部則是太陽光電資源充沛。加上台灣是自成一個體系的孤島電網系統,未來在能源的需求面管理、再生能源的調度、儲能設備的利用等,這些工具如何與智慧電網搭配,是台灣的電力系統必須正視的挑戰。

區域能源管理體系依照管理的層面大小,可以大致分為家庭能源管理系統(HEMS)、大樓能源管理系統(BEMS)及區域能源管理系統(CEMS),簡而言之便是從家庭的能源使用管理開始,拓展到大樓能源管理,最後以區域為能源管理的單位,甚至各縣市政府可以成立區域智慧能源管理中心,結合智慧城市、智慧政府、智慧服務、智慧場域等政策,以需量反應及分散式電源用戶群代表(Aggregator)的商業模式來做區域智慧能源管理的示範。

需量反應(Demand Response, DR)是一種需求面管理的工具,透過誘因來引導用電戶改變使用行為,通常是用來抑制尖峰負載的問題。電力公司根據各個時段的供電成本來訂定不同時間的差別費率,用戶根據不同時段的費率來調整用電行為,例如在電力公司供電成本高昂的時候,用戶依據需量反應契約主動斷電,可以因此獲得電費好幾倍的補償。林法正教授笑說,今年的815大停電,如果當時有配合做自動需量反應,就可以馬上下令讓部份高耗能的用戶在一兩分鐘內卸掉負載,也許就不會造成這麼嚴重的跳電問題。

智慧電網的重點就是要能夠在短時間內立刻掌握電源使用狀況,進行管理跟調度,透過一些核心技術,包括「智慧電表」、「配電自動化」、「微電網技術」、「虛擬電廠技術」、「智慧輸電監控技術」等。除了住商用電管理之外,管理工業用電的需求、整合區域能源及資源也會是很大挑戰,因此接下來的5到10年是發展的關鍵。

 

台灣的實例:東吉嶼、七美島、烏來鄉福山村、興隆公宅

林法正教授舉例,東吉嶼是第一個無人化管理的微電網,配合電池、太陽光電、輕柴油發電機,三者做調配;澎湖的七美島也正在建置類似的微電網。目前微電網的建置成本較高,但是政府政策希望推動離島與再生能源結合的智慧型電網,因此可以預期未來離島的建置成本持續會壓低。

另一個例子是新北市烏來鄉福山村的備援微電網/防災型智慧電網系統。福山設置了30KW的太陽光電板,平常自發自用,多餘的就會儲存在儲能設備中,作為備援電力。若遇到斷電,目前雖然仍然無法立刻轉換,但是只要微電網之能源管理系統偵測到斷電,微電網就會自動切換到電池的電力。

台北市在2018年6月份即將落成的興隆公宅也是一個新的嘗試。台北市興隆公宅的1區,試辦了「智慧電網第零期計畫」,共24戶參與,每戶省電約13.84%,相當於每月節省100元電費;未來興隆公宅2區將作為「智慧電網第一期計畫」,參與戶數多達301戶。(https://udn.com/news/story/11322/2834465

 

智慧電網在台灣的挑戰

林法正教授認為,台灣是多山的孤島,人口密度又高,如果再生能源滲透率可以達到電力系統的20%,台灣的智慧電網技術在全世界絕對會有極高之競爭力。

在太陽光電的部份,太陽能通常是逆送電,容易會造成饋線的電壓過高,因此必須透過智慧變流器調控功率因數。林法正教授說,其實太陽光電在氣溫10-20度的環境發電效率最好,因此有些人提議要把太陽能板放在沙漠發電,其實反而發電效果不好。現在台灣因為太陽光電廠發展而造成許多土地或埤塘租金暴漲,許多太陽能廠商找不到地可以租,反而變成太陽光電發展的阻力。

如果未來台灣要整合風電跟太陽光電,除了抽蓄水力之外,還是需要儲能設備做搭配,才有辦法妥善的做調度。除此之外,還要有微電網整合技術、虛擬電廠整合技術、區域能源整合應用等等配合。

 

智慧電網與台灣能源未來發展

林法正教授認為,台灣短時間內的未來能源主要還是會以液態天然氣等火力發電為主,這是台灣必須面對的現實(延伸閱讀:8年火力增電百億度 空污減35%https://news.ltn.com.tw/news/focus/paper/1152341)。目前台灣許多液態天然氣電廠已經改用複循環,這些新的機組可以透過冷卻水降溫來提高效率。這些集中型的發電廠,都是透過網路把訊息送給中央調度中心,這些集中式發電廠的智慧化程度其實10年前就已經很成熟。

因此台灣的智慧電網除了資訊監控、管理、調度之外,一個重要的領域就是儲能設備(電池)。目前電池成本仍偏高,但是再生能源發電裝置大量佈建一定需要電池做配合。此外,電池的安全性也經常受到質疑,像是鋰三元電池通常用在手機,但是穩定性比較差。相較之下,適合用來做儲能設備的鋰鐵電池比較不容易燒起來,但成本比較高,且能量密度比較低。目前政府正投入資源在研發鋁電池,針對儲能設備的部份來看,林法正教授說,未來再生能源勢還有待觀察。

 

聽完林法正教授的介紹,你是否還有疑問呢?可以直接台灣智慧型電網產業協會網站瀏覽相關訊息:https://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/smart_grid.aspx

 

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