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【記錄】M.I.C. x 民視「科學再發現」:能源 II

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「試論麻瓜為什麼要用電?」是霍格華滋麻瓜研究的必考考題,對於巫師來說,所謂的能源就是我們麻瓜社會用來代替魔法的東西,冷氣、電腦、智慧型手機,任何能行使神奇功能的東西都需要用到電,但當你在為你的智慧型魔杖充電的時候,你知道你的法力來源在哪裡,又為什麼有時候會失靈嗎?泛科學「M.I.C. x 民視科學再發現:能源 II」邀請到兩位講者,分別是工業技術研究院綠能所電能技術組的梁佩芳組長,還有財團法人船舶暨海洋產業研發中心海洋產業處的湛翔智工程師,談談能源的現在與未來。

淺談智慧電網

講者:梁佩芳|工業技術研究院 綠能所 電能技術組 組長

成功大學航空太空工程系博士,自1999年起在工研院服務,曾擔任航太中心/系統中心工程師/經理、能環所組務經理/副組長,現為能環所/綠能所組長,—主持能源局「智慧節能網路」至「智慧電網節能控制」系列計畫、—參與能源局「智慧型電表研究」及「智慧電網技術規劃研究」計畫,專長為綠色能源、電控系統。

電網是什麼?

電從哪裡來?電一定從電廠來的,電廠放電會用高壓送過來,因為這樣能量的流失才會比較少,有多高呢?大電廠出來是是三十四萬五千伏特,當然不能直接用,所以從電廠出來至少經過兩次電壓轉換會先經過一次變電站,電壓會低一點,又經過二次變電站,又再低一點,最後再送給不同的用戶,包括工廠、學校、家庭,進入家庭的通常還會經過一個桿上變壓器,因為家用電的電壓更低,比較大的單位貨大樓自己也有一個變電站,這就是電怎麼來的。

我們為什麼稱之為電網呢?是因為從供應端到需求端是需要一個網路傳下來,有點像一個網子,而北中南的用電量並不相同,所以需求和電廠的的分佈是不一樣的,北部需要比較多的電,所以有時南部電廠還要送電上去,電網和水管送水很不一樣的地方就是,當需求大於供應時,電壓就會往下拉,電就會送不出去,電壓的供需不平衡時,設備會出問題甚至燒掉,所以電的供需必須要隨時保持平衡,水與瓦斯供需不平衡頂多水少用一點或瓦斯少用一點,但電力供需不平衡就會整個垮掉。這就是為什麼要談智慧電網,就是讓它夠聰明不會垮。

用電需求並非一成不變

我們的用電需求並非一成不變。梁組長舉了100年八月十八號當天的用電量表,最底下紅色是核能,綠色是燃煤電廠,這張圖清楚地表示一天當中使用電的供需一直在變化,但供需要平衡怎麼辦,電力公司就會不時開關電廠,台電幾乎幾分鐘就會調整一次電廠,因此及時地調度就是供需平衡中很重要的課題。

如何降低平均停電時間?

我們看電廠穩不穩,有一個參數叫SAIDI(平均停電時間)台灣平均年一戶20分鐘,韓國和我們差不多,新加坡電網比較小好管理是一分鐘,歐洲一個小時。美國則到四個小時。

但要怎麼降低平均停電時間呢?一般來講,終端的供應線我們叫饋線(舉澎湖為例)圖上綠色是某一個饋線,藍色也是一個饋線,上面有看到一個符號就是電力的開關,這兩個饋線的終端是接在一起的,也就是有些用戶可以從藍色的饋線得到電力供應,也可以從綠得的饋線獲得,但在操作時通常是斷開,這時如果藍色線中間斷了,如果輸配線自動化做得好,它知道藍色線斷了,很快就可以從綠色線那邊供應過來,停電區域就能縮小。所以台灣為什麼輸配電做得不錯,就是因為輸配電自動化做得不錯。

智慧電網

智慧電網在談兩個新的概念,整合新元素和強化功能。

整合新元素的部分,比方說電動車、再生能源、智慧電表、智慧用戶;強化功能例如輸配電自動化的加強,或是提升效率。

下圖是智慧電網典型的示意圖,傳統的智慧電網被理解成樹狀的結構,智慧電網則是像是幾個環串在一起,我們會覺得它不再是傳統一路上送下來,這個電網上有很多地方可以供電,電從哪裡流到哪裡不一定,所以有很多個環,圖中看到的小環表示環內電力可以獨立運作,我們稱它為「微電網」,如果其它電網掛掉的時候它們可以持續供電。智慧電網中有一些新的元素如再生能源、電動車等等,這些是缺乏智慧的電網比較難管理的能源。

梁佩芳:淺談智慧電網 - YouTube (4)

再生能源

再生能源現在看到比較多的是風力發電機或是太陽光電。但再生能源事實上是相對不穩定的能源,為什麼呢?下圖是在加拿大的某五個風機出力變化圖五天的變化。

梁佩芳:淺談智慧電網 - YouTube

我們可以看到每天的發電量變化不斷,我們可以看到,有些時候幾乎是罷工,有時只有一半的工作量,這代表我們很難控制它們的工作量,有風就有風,沒有風就沒有,風太大的時候也不能轉。舉台灣海峽為例,一年8640小時,台灣海峽滿發時數約4000小時,換句話說,它有一半的時間不太夠力或根本不轉。

太陽光電更慘,舉台灣南部的太陽光電廠為例,平均一天只有四個小時在發電,也就是只有六分之一的時間在發電。

所以再生能源目前有兩個主要的問題:1.長時間的不輸出2.短時間的不穩定

這就是為什麼我們還是需要火力發電廠和核能,我們需要備一些可控的電廠,舉火電廠為例,火電廠滿發時數是可控的,要整年在燒就整年燒,再生能源只有少數是可控的如地熱,但風力和太陽能就是典型不可控的再生能源。

智慧電表系統

智慧電網的電可能來自不同的來源,用戶我們都視為可以調度的,有時候叫用戶少用一點,有時叫用戶多用一點,但我們怎麼控制用戶,就要有一個溝通的管道,我們必須知道用戶有沒有在用電、用了多少,所以我們需要智慧電表的系統,讓用戶與電力公司雙向溝通,概念很簡單,就是家裡裝一個智慧電表,透過網路送回電力公司,就這樣,台電已經針對高壓用戶做了智慧電表。

智慧電表有什麼好處呢?我們可以利用智慧電表的資訊試圖阻止用電尖峰的產生,例如一些尖峰電價的措施,可能的操作的方式有三種:志願性、競標、直接控制。

志願性:電力公司可能說明天需要大家配合少用點電,可以配合的就上網去登記,可以做願意做的就上去登記,因為有智慧電表所以電力公司會知道你是不是真的有少用電,有真的做的人就能得到獎勵。

競標:比方說電不夠了,那下一個時段省一度電就給你十塊,有沒有人要?如果願意節電的人不夠,那就十五塊?再看看有多少人。

直接控制:例如和電力公司簽約之後,你家冷氣機就被直接控制了,如果電力不夠就直接把你的冷氣切掉。

總結

沒有能源是沒有成本的,風力發電也會影響到白海豚,太陽光板晶片的製造過程也會有汙染,所以最好的解套方法還是節省用電,而在使用再生能源時,傳統電力也不可能不備著,只是要備多少的問題。電網的「智慧」表現在我們資料的收集和決策的智慧上。

從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會

講者:湛翔智|財團法人船舶暨海洋產業研發中心 海洋產業處 工程師

大學畢業前,開始對海洋科技產生興趣,碩士班就讀國立中山大學海下技術研究所,博士班就讀國立臺灣大學工程科學及海洋工程學研究所,從此展開探索地球的內太空—「海洋」。在2007年取得博士學位後,開始從事海洋科學與聲納技術的研究工作,在2012年至財團法人船舶暨海洋產業研發中心服務,開發離岸產業必備的海洋系統和水下技術。

湛翔智:從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會 - YouTube (2)

海洋的重要性

當我們去探索海洋的環境、資源的時候,我們很習慣把它形容是地球的內太空,所以今天的這個題目定為:「從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會」關於海洋的重要性,和能源與資源有關的議題我們分成幾個點來介紹:

漁業:因為過去對於食物上的需求,有過漁(過度捕魚)的現象,因為過漁現象導致我們現在淺海抓不到魚,現在我們吃的魚大多是人工飼養或遠洋漁業,這是資源失衡的現象之一。

船運:在台灣的船運是很明顯的經濟價值,談到能源我們知道台灣百分之九十的能源從船運而來,包含石油、天然氣等等,所以談到能源和糧食,台灣船運是屬於不可或缺的一環。

製造氧氣吸收二氧化碳:海中浮游物種製造地球超過一半的氧氣,吸收二氧化碳。

調節溫度:海洋可調節溫度,減緩氣候的變化。

水循環:海水為水循環中的一部分。

海洋的探測技術與面臨的問題

湛翔智:從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會 - YouTube

在海洋中不同深度的探測,你所使用的載具和探測的工具是不同的,也要面對不同的問題,列舉如下:

水壓:每潛十公尺水深增加一大氣壓。

電力供應:海中的系統電力供應非常有限,只能靠船上的電纜送電到海面下或是靠本身載具的電池,需要足夠的電力下去又上來。

通訊:電磁波在水下難以到達,比須使用水下聲波作探測,但聲波和電磁波的傳輸速度差很大,所以資訊的速度和量都比較少。

海洋浮標

海洋浮標是一種現代化的海洋觀測設施,它浮於海面上並錨定在指定位置,用來收集海洋環境資料,並能實現數據的自動採集、自動標示和自動發送,它提供給船隻在進出港時安全的訊息,例如風浪過大時不宜進出港口。

大型海洋觀測站

美國布放相當多海洋觀測站,因為美國冷戰時期在海灣設置許多監聽潛艦的聲納系統,冷戰結束後就轉換成海洋觀測站,可以搜集很多海洋裡的資訊包含海流、溫度變化、海中植物等等,所以這些系統的再利用也產生了更多的海洋研究的議題,這樣的系統後來在歐洲發展出更龐大的系統,因為歐盟所訂出來對環境保護的規章遠勝於美國,台灣交通部建設局也有一套,在早期他們的規劃是希望監測東部海嘯的海底地震和海嘯,所以是科學研究旱防災建設的用途。

海洋技術發展機會

在海洋中最大的能源來自於鑽油平台,因為陸地上的石油大多已經挖乾了,所以轉而在海上挖石油,現在全世界有一些很大的鑽油平台,包括美國墨西哥灣、巴西、歐洲北海都有很大的海上油田,這些油田都需要很多的海洋技術,為什麼他們肯投入這麼多的資金做海洋技術呢?因為鑽油平台只要不鑽油幾天,他們就會損失龐大,因為鑽油是不能停的,如果有意外會慘賠,所以寧可投資更多海洋技術確保海上的鑽油平台是安全的。

再生能源的部分則要講到海上離岸風電,下圖所示是全球離岸風電的統計資料:

湛翔智:從臺灣探索地球內太空,海洋技術發展機會 - YouTube (1)

顏色綠色到深藍色的變化代表風速的大小,風速大小代表能截取能源的高低,其中有一個成本的問題,就是離用戶越遠,發電成本就越高,設置風機點的水深越深技術成本也越高,離岸風電有兩個比較熱門的點,一個是北歐已經發展了二十年,另一個在台灣海峽事實上是個新興的市場,但台灣還沒有蓋起來,除了台灣,日本在這一兩年也已經成功建設幾座離岸的風力發電機。

北歐為什麼適合發展離岸風電呢?因為他們本身具有一些鑽油平台,因此有很多現成的海上工程的結構和技術,很順其自然的可以順便發展離岸風電。

台灣的離岸風電

基本上經濟部有一些規劃,但目前還是缺乏大部分的技術,再者就是因為台灣西海岸有很多是出海口,會有很多鬆軟的泥沙堆積在出海口,造成它有很多鬆軟的海床,但很多機具需要立在海床上,加上台灣颱風多、地震多,這些種種的問題是台灣特別要關切的,而離岸風機真正的考驗是要維持,不要蓋了就倒。目前中樣氣象局的海洋浮標都是在近岸,但我們希望將來能有更多離岸觀測站,才能提供更多的安全的資訊,確保海上技術的安全。


【關於 M. I. C.】

M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

「M.I.C. x 民視科學再發現」系列活動指導單位為科技部,協辦單位為民視文化、PanSci 泛科學。

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關於作者

Pansci實習編輯,無法抗拒吸收冷門知識時的生理快感,興趣是利用科學理論煉成料理。 有一天突然發現如果用心理學理論解釋人類行為能降低對於人與人之間衝突的恐懼,因此對心理學和傳播理論特別有興趣。