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。
狐禪
