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從全家省到你家

Credit: SimonQ錫濛譙 via Flickr

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便利超商是夏季最棒的避暑樂園,在烈陽下快被晒成人乾時,前方白綠相間的招牌就像沙漠中浮起的綠洲,讓你重新對生命燃起希望,奔向那發著聖光的小屋,悅耳的歡迎鈴聲隨著自動門響起,涼爽的氣體瞬間貫徹全身,深吸一口便通體舒暢,彷彿置身仙境,順便再來一支冰淇淋。這時你想,疑?在全民抗漲的時代,竟然還有人能恣意的開冷氣,難道真的誤闖異次元了?

全家超商之所以可以超大方開放空調,不是因為他們很凱,而是因為他們有偷偷節能的秘密武器--能源管理系統(energy management system, EMS)。這項由工研院研發的系統結合了即時電力量測,可以監控超商的運作規律,自動調控冷氣、冰箱、冷凍櫃等設施。若有間全家設在小學附近,放學時間進出店內的人數會明顯增加,EMS記下這個事件後,會在放學前自動將冷氣開強,等到人群散去再減弱空調,這樣一來可為全家省下大約4%的用電量,加上契約容量的調整,可以省下大約8%的電費。

為了讓電力量測資訊更加完整而即時,許多國家開始安裝智慧電表,也就是在用戶端裝設具備通訊功能的數位電表,使電力公司能夠掌握訊迅掌握用戶的用電細節。雖然智慧電表看似節能的法寶,其實它只是智慧電網整合資料的基礎。任職於工研院綠能所電能技術組,研究智慧電網與能源管理的梁佩芳組長表示,智慧電網不僅可以讓用戶適時省電、協助電力公司擬定合理的價格策略,也能促成再生能源的發展。

智慧電網聰明在哪?

2003年美國東北部無預警大停電,僅僅數小時的熄火就影響了5000萬人的作息,造成龐大的經濟、醫療損失[1]。導致508部發電機組供電中斷的原因之一,就是跟不上時代的電網。供電不同於供水,電網必須維持供需兩端的平衡才能穩定運作,當供需的差異過大時,電網中的設備會自動跳脫以保護設備自身或電力網的安全,當發電機組跳脫時,供應不足的問題就更加嚴重,使得其他發電機組相繼跳脫,如果缺乏即時的電網調控,停電範圍將如同推倒骨牌般的擴展,最終造成2003北美大停電的悲劇。

由於氣候與社會活動的變化,四季的用電自然不同,甚至一天之中也可能有大幅的變化。在台灣,炎熱的夏季就是一年中的用電高峰,尖峰時期北部地區的供電不足,經由輸電網路南電北送以補足供應量 [2],輸配電自動化的基礎建設已經賦予電網相當的智慧。然而,伴隨用電量的成長、綠色能源的大幅應用與供電裕度的限制,現有電網控制體系可能無法支撐更複雜的電力系統,因此需要更加聰明的智慧電網(smart grid)。智慧電網之所以聰明是因為整合了更周延的即時資訊、進行更有效率的決策,以及導入更好的控制設備或電網架構。梁佩芳組長說:「相較於既有電網,智慧電網通常有三個主要目標:整合更多再生能源、促成節能減碳,並且在日益複雜的電網中提升供電可靠度。」

Credit: Rolls-Royce Power Systems AG via Flickr

Credit: Rolls-Royce Power Systems AG via Flickr

靠天吃飯的再生能源

氣候變遷跟福島事件驅使各國更加重視再生能源,再生能源雖然是環保的綠色能源,但是可能產生「靠天吃飯」的風險,現階段應用最多的風力發電與太陽光電都是不可控的再生能源,即使是新竹風城也不可能全年無休的刮大風。台灣海峽是非常好的風場,但是一年的滿發時數仍然不到4000小時,相對於一年8670小時,所裝設的風力發電機有一半以上的時間是輸出較低,甚至無法運轉的;台灣南部的日照比北部充足,太陽光電系統每1kW每天平均發電量仍然不到4.5度,相當於平均每天日光直射4.5小時。

再生能源常有可運轉時數較低跟輸出不穩定的問題,當再生能源在電網中所占的比例愈來愈多時,恐怕難以避免傳統電廠出面救援,而再生能源輸出的快速變動也需要儲能系統作為緩衝。在智慧電網中,運用適當的感測器、天候資料以及演算邏輯,電力調度單位能夠預測再生能源的發電量與使用者的電力需求,即時調控傳統電廠進行適當的補償,甚至協調簽約的電力用戶調降電力使用量,以最低的成本維持電網穩定運作,才能大幅提高再生能源的應用比例。

達到供需平衡,戰勝用電高峰

節能減碳跟盡情享受冷氣像是魚與熊掌不可兼得,但比起加蓋電廠,削減夏季用電高峰更為可行。以價制量是各國普遍採用的手段,例如台電的夏月電價高於非夏月;而時間電價方案中,尖峰時段的電價又高於離峰時段,以促使用戶在尖峰時期節約用電。此外,工廠、企業等用電大戶若能配合台電需求而適時調降用電量,台電還有需量反應等價格優惠方案,鼓勵需求端動態配合供應端減少用電,避免毫無節制的啟用備援電廠或建設新電廠。為了提升電力系統的整體運作效率,使用者必須加強自身的用電管理,而電廠則需要掌握用戶的用電習慣以及其他影響負載的環境變化。

智慧電表系統是進行電力負載調控的基本工具,智慧電表記錄用戶每15分鐘的用電情況,使得電力公司能夠知道所有用戶的用電細節,一方面能夠評估用戶在不同時段的節能潛力;另一方面能夠更精確地進行配電管理與電力架構調整,以提高效率。用戶本身也可以由智慧電表檢視用電情形,評估節約用電或改變用電模式的可能性,搭配適當的電價方案,創造電力公司與用戶雙贏的局面。

Credit: Jonathan Potts via Flickr

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電網升級,減碳可期

電網就像一座城市的心血管系統,不僅要保持流暢、穩定的電力輸配,更要有危機處理的彈性,才能維持城市生命。智慧電網的責任是維持電力供應的穩定度,這種聰明的電力供應網包含智慧化輸配電網路、先進的智慧電表以及與供應端互動的智慧用戶,這個架構能夠順利整合各類再生能源、儲能裝置、甚至電動車輛,並且具備良好的資訊安全機制與分析決策系統,以支持複雜的未來電力系統維持穩定運作。

終端能源的使用涵蓋多種形式,例如家庭中使用的瓦斯、車輛使用的汽油與柴油、工廠鍋爐使用的煤或天然氣等等,而電力大約占其中的一半,所以良好的電網運作對國家的節能減碳極為重要。容納更多的再生能源,智慧電網的排碳量可望大幅降低,而需求端與供應端的整合協調能夠進一步提高系統效率。在電力公司與用戶的共同努力之下,節能減碳不再是遙不可及的夢想。

參考資料

  1. Noweast blackout of 2003. Wikipedia
  2. 台電系統介紹,台灣電力公司
  3. 國際智慧電網發展策略與現況,經濟部能源局──能源報導

延伸閱讀

 

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