企業防災（一）：電網防災，台灣土地亮起來

你知道台電有個電力研發基地嗎？台電綜合研究所因應電力研發試驗需求設立，至今已超過 20 年，平均每年進行近 400 項研究專案，是我國電力研究重鎮，今年更首次公開展出研究成果，舉辦「綠潮-2022 台電綜合研究所成果展」，今（14）日在板橋車站旁、全台首座綠能主題展館的「電幻 1 號所」盛大開展。台電表示，此次共展出 25 項電力研究成果，將電力專業知識轉化為與你我相關「看得懂的研究」，今日起免費展出至 10 月 14 日，歡迎民眾一同探索、揭開電力研發基地神秘面紗。

台電今日上午於電幻 1 號所舉辦「綠潮-2022 台電綜合研究所成果展」開幕活動，現場由中央研究院院長廖俊智、國家實驗研究院院長林法正及台電代理董事長曾文生等各界貴賓共同為展覽揭開序幕，並於希爾頓酒店舉辦「智能綠電新未來論壇」，邀請美國電力研究所（EPRI）、亞太能源研究中心（APERC）及彭博新能源財經（BNEF）分享國際電業趨勢，與產官學界進行深度對談。

台電說明，台電研發機構最早可追溯到1968年創立的「電力研究所」，隨研究需求及規模擴張，2001 年正式成立「綜合研究所」至今，扮演著支撐穩定供電、帶動能源轉型的電力核心技術關鍵研究單位，台電綜研所近年積極投入低碳能源與友善環境相關研究，並持續與美國電力研究所（EPRI）、彭博新能源財經（BNEF）等組織進行國際技術交流，以科學研究務實推動能源轉型。

台電指出，此次成果展以「綠潮」為主題，取自「綠」能與國際浪「潮」，突顯綜研所除致力綠能研究，更時刻與國際接軌。展覽共分為「Future、Power、Smart、Green」四大展區，展出 25 項電力研究成果，並第一次與YouTube影音平台訂閱超過 40 萬人、全台最大知識科普社群 PanSci 泛科學合作，將專業電力知識轉譯，搭配擬真模型、解說影片及 VR 裝置等生動有趣互動模式，主打「看得懂的研究」首次對外展出，期望打開民眾對電力的想像與視野。

台電也分享展覽 3 大「必看亮點」，首先推薦「Future」展區可看見未來智慧城市樣貌的「未來電桿」。台電說明，全國電桿數量超過 300 萬支，隨時都可能有各種如颱風天災等突發狀況，台電讓電桿搭載感測器，並結合 AI 影像辨識技術人工智慧及物聯網技術，使電桿具有自動檢測控制功能，目前先於桃園、新竹地區試驗，未來廣泛布建後，除可遠端即時掌握電桿狀態、提升搶修維護效率，更可讓電力線路基礎設施成為能源網路，甚至是城市資訊數據的傳輸平台。

而國際正夯的「碳捕捉」技術也可在展覽中的「Green」展區一探究竟，台電將位於台中電廠已實際投入發電機組排碳捕捉的碳捕集設備，打造成結合科技感互動與聲光展示的「超擬真」模型，直接搬到展場。此設備未來更將以年碳捕捉量 2000 噸為目標。

台電此次展覽亦第一次對外發表國內首創的「產業動態指數」，綜研所分析近3萬具高壓智慧電表所收集的電力大數據，並依據產業用電特性，結合生產力指數、節假日及氣象等多元資料，透過 AI 模型演算，建構出可每日即時更新的經濟領先指標「產業動態指數」，目前已透過 B2B 商業模式，提供企業作為產業發展分析重要依據。

台電表示，此次綜研所成果展自今日開幕，將於電幻1號所展出至 10 月 14 日（開館時間 10：00-18：00，週一休館），歡迎有興趣的民眾前來探索台灣電力研發基地的神秘面紗！

電網：將電力輸送到各地的網路系統

在十九世紀，電力是在靠近電力需求的地方生產的，但到了二十世紀，規模經濟催生出集中式發電廠、長距離傳輸線和地方的變電站。現在，世界上大多數國家的電力都是透過電網來提供。

這套系統是為了滿足供電需求──最低需求稱為基本負載（baseload）──所設計的，由最便宜的發電機來滿足。

直到最近，發電方式通常是以燃煤為主（也有國家是以核電或水力發電為主），而且大部分的時間都在運作。會搭配其他發電廠（通常是循環燃氣渦輪發電機）來支援，以滿足每天的負載量變化，也會有可快速運作的小型燃氣渦輪或柴油發電機來應對激增的需求或是發電廠停擺等故障問題。

發電廠和變電站間的輸配電系統很重要，這可確保即使有單一線路或發電廠出現問題，仍舊能夠維持電力供應。電網有辦法將電力輸送到偏遠社區，也能獲得偏遠地區的發電。

再生能源進場後，該如何和傳統電廠互相配合？

現在，太陽光電場和風場在許多電網上提供的電力占比日益升高，這正在改變對發電廠的要求。在一般情況下，一天之中混合使用再生能源和傳統發電廠的發電方式最為經濟，而不是完全使用大型的傳統發電機。

除了提供潔淨的電力外，風場和太陽光電場的營運成本最低──這稱為邊際成本（marginal costs）──因為它們沒有燃料成本，並且會首先調用。

為了讓風場和太陽光電場達到最大使用效能，最好是搭配能夠因應電力供需變化而快速反應的其他發電廠；而且理想上，這些電廠的運作也應該符合經濟效應，運作時消耗的用電量僅占其最大負載量的一小部分。

一般來說，燃煤電廠和核電廠的數量並不會有快速的增減，而燃氣和再生能源電廠則是更好的選項。根據地點的不同，水力發電、生質能、地熱和聚光太陽能（搭配蓄熱儲能）都可以擔任靈活發電的功能。

化石燃料發電廠可以儲存燃料並因應需求來提供電力。風場和太陽光電場與這些可以隨時供電──稱為可調度或固定供應──的發電廠不同，這兩者的運作都取決於天氣這項變數。

運用 AI 技術，擺脫「天氣」這個天生弱點！

儘管有時會出現風力弱和陰天的日子，然而，與一些人想像的剛好相反，擁有大量風力發電和太陽光電的電網其實能夠在需要時提供電力。

透過人工智慧（artificial intelligence，AI）來獲取良好的天氣預報，太陽光電場和風場的輸出變化通常是可以預期的，因此可得到最佳結果。

當再生能源供應達到總電力需求的 30％ 時，這些變化可以輕易透過裝配在電網上的快速反應發電廠來填補，以滿足供電需求的變化。

當一處 1000 兆瓦的大型發電廠意外跳電（可能是設備故障或過載），處理起來可能遠比風力發電或太陽光電的電力突然下降更具挑戰性。備用儲電站必須迅速上線，而風場和太陽光電場若是尚未達到滿載，還可以在有風和晴天的天氣迅速提高其發電量，提供額外的寶貴備用電。

再生能源成為主要來源後，怎麼讓電供保持穩定？

為了提供潔淨、安全和價格低廉的電力，並且在本世紀中葉大幅減少碳排放，避免氣候變遷演變到危及生靈的程度，全球的供電必須以再生能源為主。透過增加再生能源的輸出、地理分布以及與其他電網的連結，再生能源的供電占比將可望提高到電網的 50％ 左右。

在一定程度上，增加這類綠電的發電能力可以彌補天氣條件惡劣的情況，而連接大範圍的太陽光電場和風場則可以提供更平穩可靠的電力。

在歐洲，丹麥已經與挪威、瑞典或德國等國進行電力交易，以此來平衡電力供需：在他們自己的風力發電量高時出口電力，而在發電量低時則進口電力。

然而，建立洲際再生電網並非易事。過去曾經有一項 DESERTEC（沙漠科技基金會）的提案，計畫要將北非的太陽能傳送到歐洲，但由於政治不穩定，再加上不同地區和國家對規畫中的電網各有所圖，產生相互衝突的反對意見，因此難以具體實現提案。

此外，由於太陽能板的成本急劇下降，因此日照多的優勢變得不那麼重要，因為可以靠增加太陽能板的大小來彌補日照少的缺憾，這比支付長距離傳輸費用更為經濟。能夠在地方發電也等於是提供了一份供電的安全保障，不必依賴化石燃料進口。然而，廣泛架設的電網確實對於供需平衡有極大的幫助。

若是能配合供電來調整電力需求，就可降低對儲能廠的需求──這稱為「需量反應（demand response）」──或許可成為一個更便宜的選項，因為那些用來支援電力尖峰的快速反應發電廠的運作成本最高。

智慧電網：更聰明、更彈性的調整電力供應！

使用智慧電網可以讓電網營運商和用戶間進行雙向溝通，調整電力負載量，使其與供電端相等，這樣就能確定出需要從電網中取用的的需求量，或是添加量。

出現短時間停電或減少電力供應時，許多運作仍有可能繼續維持，好比那些具有熱慣性的操作──像是保持鐵或瀝青、熔融物或超市冰箱冷藏食物的溫度；或是建築物的溫度調節──或是在將零件組裝成產品前，先製造出充足的零件備量。

同樣地，可以透過啟動電爐、大型電解槽或海水淡化廠（以幫助應對氣候變遷造成的乾旱）來增加需求量。在數位化科技的推動下，我們正處於智慧電網革命的開端，這將會對電力負載量造成重大變化，將會讓邁向再生能源的這段過渡期更為容易，並且為客戶帶來更低的成本。

另外，可以用價格差異來鼓勵客戶改變他們的電力需求。在義大利，有推行一個簡單的計畫，是以固定費用（取決於所使用的最大功率）和每度電的價格來回收發電廠的資本和配電成本以及發電成本。

以限制電力需求的方式（讓消費端的電價變得更便宜），白天必須間隔使用電熱水壺、洗衣機和烤箱等電器；如果一次全部使用，就會跳電。

這樣便可降低發電成本中最高的尖峰用電。而在離峰期（例如夜間）提供便宜電價也是一種方式。不過要達到有效調整，需要同時使用智慧電網和智慧電錶。這樣用戶端可以看到他們的消費細節，並選擇僅在低電價或優惠價格時段才使用某些電器設備。

儲能設備對於提高再生能源的發電占比非常有幫助。以太陽光電場和風場這樣的組合來供應夜間用電，往往會有白天過度生產，導致電價下跌的情況。若是沒有儲能設備，必須盡可能出口過剩電力，或是以減少供電來降低損失。短期儲能可以將部分電力從下午轉移到晚上，因此小容量即可以滿足日常需求。

隨著電池成本的急劇下降，這種儲能的可用性變得越來越高，而且也開始取代那些用來補強綠電不足時的快速反應化石燃料電廠。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。

• 文／陳柏宇

上一篇我們討論了使用煤炭的前置處理，歡迎來到第二道程序「燃燒過程」。燃燒的過程，怎麼變「乾淨」？

讓煤在燃燒過程中比較「乾淨」的方法，有三個主要的方向：

1. 讓煤或固體燃料燃燒得更完全。
2. 提高能源轉換效率、讓生產單位電力所使用的燃料減少。
3. 完全改變原本的燃燒方法。

粉煤機讓煤變小，比較好混

第一個讓燃燒過程更「乾淨」的方法，增加燃煤燃燒效率。

可以開始想像一下國中理化或是國小自然教的內容：當反應面積增大的時候，反應可以比較完全。因此在燃燒前，我們會將煤炭送進粉煤機變成粉煤（pulverized coal ），除了燃燒效率提升外，黑煙或是廢氣的產生也可以減少許多。如前文提到的，不同煤種會有不同燃燒特性，也是在這個階段進行「配煤」，搭配出最適合的比例。

新技術流體化床讓固體變流體，燃燒更完全

上頭講到的讓粉煤進入鍋爐內燃燒，燃燒可以比較完全沒錯。但大家應該知道粉塵這種東西易燃易爆炸，會導致鍋爐裡的溫度非常高，長期下來對於鍋爐影響甚鉅，爐壁甚至會有結渣問題，氮氧化物也會偏高，真的很麻煩。

因此，讓我們用完全不一樣的流體化床（fluidized bed）概念取代傳統像燒金紙那樣通通丟進一個桶子裡開始燒的運作方式，在  1970 年代左右，流體化床（fluidized bed）的應用逐漸成形。

流體化一詞是用來描述固體與流體接觸時的一種運動狀態。將固體放在有氣孔的容器中，當有氣體透過孔洞噴吹快速進入容器中、速度逐漸加快時，固體顆粒將會開始懸浮、分離，並且可以自由的運動或轉動（可以想像成吹麵粉裡的乒乓球），這時這些固體的性質開始接近濃稠的液體。繼續講原理可能還要一萬字，所以就先在這裡打住囉。

這樣一來有甚麼好處呢？

相比傳統鍋爐（固定式），流體化床的固體顆粒可以均勻分布於爐內、氣體與固體間的熱質傳較高、一次燃燒的總物量相對較大、操作溫度不高比較穩定等等。破碎後的煤中加入生質物料、甚至是破碎廢棄物混燒等，流體化床都相對會是個比較好的選擇。

除了燃燒效率之外，流體化床對於污染也有幫助。例如對於高含量硫份的物質，例如前兩年都吵很兇的生煤、石油焦，可以在燃燒時就先加入石灰石，讓他們一起激情翻騰燃燒，大幅減少硫氧化物的排放量。另外，流體化床爐溫較傳統的燃燒爐低，製造出的氮氧化物的濃度也就相對較低。

目前這樣的爐體在台灣並不多，除了永豐紙業、以及台汽電外，還有台塑真的拿來燒石油焦。國際間規模也因為爐體設計上的問題，使流化床鍋爐的功率（目前最大 460 MW）仍略小於傳統鍋爐（600 MW以上）。未來如果往循環經濟的方向前進，這是必須進步的技術。

提升發電效率：「超超臨界」到底是甚麼？

大家現在對於「超超臨界」這個名詞大概不陌生，但要知道超超臨界是甚麼，我們需要先來簡單了解一下火力發電的運行，整個過程可不只是燒煤而已喔。簡單來說就是蒸汽機的原理：用煤火燒水變成水蒸汽，透過水蒸汽的高壓推動渦輪機再帶動發電機，出力完畢的水蒸汽冷凝後再加熱進入新的循環。

細節版在這裡：
1. 工作流體（多數為水）先被壓縮，在壓力下成為高壓流體，溫度也跟著上升。

2. 高壓流體來到鍋爐進行加熱，高壓流體吸收了外部熱源成為過熱蒸汽。

3. 過熱蒸汽膨脹後，推動渦輪機發電；蒸汽的溫度和壓力降低，成為濕蒸汽。

4. 濕蒸汽然後進入冷凝器，被冷凝成為飽和液體，並重覆回到第一步驟。

恭喜你，已經看完了工學院都知道的「郎肯循環」（Rankine Cycle）。那超超臨界到底是甚麼啦？先來看一張圖，這是水的三相圖，就是水有三態，固態、液態和汽態的意思。

以上為一般的循環，而如果把水加壓加壓再加壓 （250 bar 以上）、加溫加溫再加溫（600℃ 以上），它就會突破我們稱之為臨界點的境界（上圖的粉紅色點點）。從此時起，變成具有液態、汽態特性的流體。然後把上面講的郎肯循環拿來解釋一下，如下圖。

左邊是原來亞臨界樣子，右邊是超臨界的樣子，因為上邊界明顯上移，中間圍起來的部分變多了，而中間的範圍其實就發電機轉換出電能的部分；所以超超臨界重點就在於在循環中提高輸出的效率。根據台電月刊提供的數據，主蒸汽壓力每提高 1 MPa，機組的熱效率可提升 0.13 ∼ 0.15 ％；主蒸汽溫度每提高攝氏 10 度，機組的熱效率可提升 0.25 ∼ 0.30 ％。效率更高、生產單位電力所使用的用煤量較少，也是減少污染重要方法。

這就是國際間目前講求的高效低排放（HELE）燃燒技術，概念上大概一百年前就存在了，只是礙於材料技術的發展，大約 70 年前才出現第一座超臨界機組（規模不大）；大約十年前，才有第一座超超臨界。超超臨界機組整體發電效率比起亞臨界多上 6~10 %，整體的發電成本也相對減少。國際上，近幾年火力電廠的機組翻新，之前熱議的深澳電廠，也都採用這種方法。

而以目前的林口發電廠為例，該廠舊機組於 2014 年除役，1、2 號機改以超超臨界機組運轉，與其過往亞臨界機組相較，發電效率由 38% 提升為 45%，亦即在發電量相同的情況下，每年可減少 20％ 排放，遠低於法規標準值(如下表)，這也是為甚麼會有排放水準接近燃氣的說法出現。

從上圖來看，已經更新的林口電廠相較於台中或是興達電廠的排放有相當的區別，與燃氣電廠的標準也相當接近。另外，不僅止於發電效率高以及低排放量，因為工作流體的單相特性，鍋爐在飼水部分可以快速的做調節。也因此，升降載比傳統鍋爐也可以更加快速，打破了我們對於煤電的「基載」想像，或是配合空氣污染做及時的降載調節。

至此，我們還算順利的結束了第二道關卡「燃燒」。除了上面介紹較為成熟應用的技術以外，仍有許多讓燃煤更有效率的技術正在發展中，在未來幾年能源市場仍由煤炭主導的情況下，希望能讓燃煤發電朝更環保並保有競爭力的方向進展。

但是還沒結束喔，如果燃燒完後就直接排出，造成的污染還是很可怕。所以目前有哪些技術在處理燃燒後的廢氣呢？讓我們準備一起邁向下一關：燃燒後處理（post-combustion）啦。

1. Power Technology：Lean and clean: why modern coal-fired power plants are better by design
2. 蔡孟原（2010年6月)。循環式流體化床鍋爐。科學發展月刊，450期，pp.26-32。

本文由台灣電力公司委託/廣告，泛科學企劃執行