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【還能怎樣】林法正:智慧電網與再生能源

林法正教授一開場便提出今日討論的三項重點:「智慧電網」、「再生能源的併網」,以及「自動需量反應」。

「智慧電網」是整合傳統電力系統、智慧型電錶及資訊技術,使整個電網從發電、輸電、配電到用戶端,均自動化及資訊化。

「再生能源的併網」主要介紹的是風力發電,以及探討利用類似風力發電的再生能源之可能性,並透過智慧電網技術,將所產之電能有效地送入可用電網中。

「自動需量反應」的網絡概念則是透過資通訊的自動化技術來控制負載,以有效管理電力使用,並取代興建大型電廠。自動需量反應分為基於獎勵機制與基於時間電價機制等二種機制,對電價做調整。

台灣電力公司的運作現況存在下列幾點問題:第一,台灣約98%的發電資源需仰賴進口而得,導致電費居高不下;第二,台灣的電力系統得自行設計,孤立無援;第三,若要達到無核家園則必須極力開發再生資源,但由上表(Taipower為台電提供、IPP為獨立發電廠提供)統計可知目前的再生資源(Wind表風力發電、PV表太陽能發電)所能使用的量相當稀少。

2012年台灣當時的發電裝置容量,約有40GWh(1GWh=1000MWh=1000000kWh),核能佔了約12%。總發電量,約為2000億度電,核能佔了18.4%,約400億度電(1度電=1千瓦小時=1kWh)。若想停用核能發電,按照現況勢必只能靠燒煤與天然氣增加火力發電。

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上圖的圓餅圖為台電2013年永續報告書中所節錄,由右圓餅圖可知工業用電佔全台用電約55%、家用約20%、商業約16%。台電聲明告知我們今年2014是電力系統有史以來最穩定的一年,根據觀察與統計全台灣的用電量只會越來越多,且加上台電近年來虧損嚴重,所以之後近幾年內不會有大型的電力裝置建設,也很難對老舊設備做維修,故未來的限電及斷電的次數會漸漸增加。

台灣到底有沒有機會成為無核家園呢?林法正教授告訴我們,若核四最後沒有運作,則到2024年全台灣的核電廠也不會再運作了。但依目前的電力需求,要用哪種能源才得以替補核能產生的400億度電?

 

智慧電網

面對用電危機,台電除了增蓋超臨界發電廠或液態天然瓦斯的發電廠外,智慧電網或許也是可行的辦法。智慧電網可以解決兩大問題:第一是再生能源的併網,有效利用再生能源且併入現有的電力系統。另一個就是自動化節電,每戶自發性的省電幾乎無效率,若根據需量反應統計出的結果直接斷電,即可達到供需平衡,不須限電。

 

現在就來進一步了解智慧電網的樣貌。它是將傳統的電力網絡(圖中黑線)與資通訊網路(圖中紅線)兩者結合,亦即將電力系統裡的每一個層級都配上通訊網路設備,對不管是輸出端、配電端或是用戶端都進行監控,以達到最優化的供需平衡。

 

而電力系統的演進如圖所示,黑色為20年前的系統樣貌,藍色為目前還在開發中的新設備。近年來,再生資源獨立電廠越來越多,但如果沒有經過電壓及功率的調控,一般的獨立發電廠所產生的電能很難收集到台電系統中使用,所以加設新的電壓調控網絡能讓獨立發電有效率的使用。從前電力運送的方向只能從台電運送出去(右側橘色箭頭),若加上健全的智慧電網系統控制流量及用量,則可使多餘的電力傳送回去,在儲存站儲存備用,未來電力運輸就可以達到雙向運送(綠色箭頭)而更有效節能。

以下是智慧電網的優點:

  • 提高整體能源的使用效率
  • 提高分散式電源或再生能源佔整體發電量之比例
  • 增加供電之彈性
  • 降低輸配電的損失
  • 提高電力系統之穩定度與供電品質
  • 降低尖峰負載以減少備轉容量
  • 提高能源安全
  • 促進能源資通訊產業之發展

台灣近20年來努力發展智慧電網,從發電到輸電的部分都已有智慧電網的雛形,因此這幾年的供電狀況才會如此穩定。目前要繼續發展的是配電端與用戶端的智慧裝置,我們參考歐洲、美國及日本的現有技術如配電自動化、推廣微電網等,試圖使台灣智慧電網更趨完善。

 

美國加州的Southern California Edison是一個智慧電網公司,主要有兩項業務,第一是建構智慧屋,讓屋內所有的用電可以自給自足。第二是建立配電自動化系統,當電力系統出問題時,這個系統可以在短時間內排除故障。上圖為智慧電網的介紹,小型社區或鄰近的幾家住戶可以合建集電器,構成一個微電網系統自給自足。屋頂有太陽能板能發電,家中庭院有水井可水力發電,且屋內都有電力監視器,可以隨時得知自家用電量及目前的電費計算,除了能靠著自家發電自立外,還可將多餘的電力送到鄰近的集電器做儲存,當政府電力不夠需要支援時,就從集電器送出去賣給政府。

另一個例子是日本仙台的微電網,裡面配有太陽光電、微渦輪機、燃料電池、儲能槽,可依負載需求對電力進行調度再配送,當電力公司負電過大突然斷電時,它會持續供電至最不能斷電的地方(如醫院)。

回頭來看台灣對於智慧電網的規劃(詳細資料可上台灣智慧型電網產業協會網站),捨棄向國外購買技術,靠國人設計一套完善、適合台灣的智慧電網,一方面降低成本,另一方面則可以開拓台灣的智電產業。這套計劃有四個目標:一、確保穩定供電,二、促進節能減碳,三、提高綠能使用,四、引領低碳產業。

 

在第一期的智慧電網規劃裡,台灣已有6座測試場域,而且台灣目前已有很多廠商開始利用智慧電網,如全家利用智慧電網,可達20%的節電。

 

第二期即將推動的計畫架構如圖所示,其目的就是讓台灣的電力系統能穩定供電,並且讓再生能源的利用效率能夠大幅提高。

 

風力發電

「其實,大家對再生能源的期望真的不用太高」林法正教授在介紹風力發電前表示。風力發電的最大的缺點是轉換效率不高,因為風力提取時,經過風力渦輪機會因風速必須漸減而使能量消耗,由理論估計,任何渦輪機的最高效能僅有53.9%。

風力發電需要穩定有風的地區,而全台灣只有澎湖的風量一年四季都足以發電;又風力發電的建構體積龐大、維修不易,且目前還無法將風力發電併入電力系統中。最後,風力發電機本身有低頻噪音的問題。

 

目前最大的陸域風機及離岸風機都在德國。而風力裝置容量最多的國家是中國,不過中國的智慧電網技術(風機的內部構造也是一個小型的智慧電網)還不夠純熟,仍有很多問題尚待解決。

 

台灣有沒有機會跟上目前風機發展的趨勢--離岸風場呢?答案是沒有辦法。離岸風場發展最完善的地區是在波羅地海附近,但那裡既無颱風,也無地震,並且整年都有穩定的風量。

 

回到台灣目前風力發電的現況,其CF值很不穩定(CF值代表容量因數,其值越大代表風機實際運轉後能產生的發電量越大)。由下表可知目前中屯地區的風力發電效益不錯。

 

最後以下圖做總結,根據再生能源合起來的總容量,才能決定併網要選哪一個系統層級。而發展智慧電網最主要的目的即是收集、合併再生資源的電力,並且在合併前先行評估是否合乎效益。

 

[Q&A]

Q:我們都以為台電在輸出電力時有大部分是消耗在運送的過程上,若在台灣成立智慧電網,其可以節省多少輸電時的耗能?
A:其實台電的輸出耗能據統計大概只有4.5~5%之間,這樣的耗電比例算是很良好的。而智慧電網有另外一個最大的優點,即是可以大幅降低竊電抵賴不繳費的用戶,。

Q:若理論及架構還有設備都準備好了,要讓全台灣滿佈智慧電網需要多久的時間與金錢?
A:對於全台灣的佈電其實不算困難,至於金錢就要看大廠商願不願意投資,我們可以讓電價更合理當作誘因使大廠商為了降低成本而投資。

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【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會,活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者,各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法,並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

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