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【還能怎樣】林法正:智慧電網與再生能源

PanSci_96
・2014/11/25 ・3026字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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若風力、太陽能變成主要能源,如何不被無風陰天弄得全國大停電?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/20 ・3299字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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。

電網,就是用來傳輸電力的網路,像是電廠、變電廠、配電系統等等,都是電網的一環。圖/Pixabay

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。

風場和太陽光電場容易受到天氣的影響,現階段該如何讓再生能源電場與一般傳統電廠配合,也是能源議題中的一大考驗。圖/Pixabay

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。

透過人工智慧的協助,可以更有效的運用電力。圖Envato Elements

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。

增加太陽能板的面積、建立跨國、洲際再生電網,都是維持電力供應穩定的做法。圖/Pixabay

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。

智慧電網最重要的就是雙向的溝通來進行調整。圖/Envato Elements

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。

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發電量增加 25 倍卻還是不夠用!再生能源是人類未來的救星嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/18 ・1730字 ・閱讀時間約 3 分鐘

我們的能源從哪裡來、往哪裡去?

全球每年對能源的需求量相當巨大,若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字,因此改用「太瓦時」(TWh)來表示,太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年,全球約有 10 億人口,當時對能源的需求約為 6000 太瓦時;而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年,全球人口達到 76 億,發電量增加了 25 倍(156000 太瓦時)。

在 2017 年的全球能源使用比例中,煤炭、石油和天然氣等化石燃料占了大約 80 %左右。圖/ Pixabay

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比,其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能,其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

2017 年的能源消耗總量,顯示出不同能源的百分占比。圖/BP Statistical Review of World Energy, 2018; World Energy Council, Bioenergy, 2016

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求(final energy demand),是指用戶消耗掉的能源:每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10% 是來自開發中國家傳統生質能的熱,22% 來自電力,38% 用於供熱(主要來自化石燃料) 30% 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費?能量轉換效率大比拚!

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位,也就是一度電來測量,雖然電可以完全轉化為熱量,例如電烤箱,但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能,其他的必然會散失到周圍環境裡

在火力發電廠中,存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱,產生蒸汽,蒸汽膨脹推動渦輪的葉片,轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力;其餘的熱量在蒸汽冷凝,完成循環時,就轉移到環境中,成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加,但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中,一般熱能轉化為電能的效率約為 40%。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組(combined cycle gas turbine,CCGT)裝置中,這個比例可提高到 60%。

同樣地,在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量(動能);汽油車的一般平均效率為 25%,柴油車則是 30%,而柴油卡車和公車的效率約為 40%。

另一方面,電動馬達的效率約為 90%,因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例,這將有助於提供世界所需的能源。

火力發電沒辦法 100% 轉換熱能變成電能,約有 60% 的損失。圖/envato

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末,水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展,在二〇一八年時約占全世界發電量的 16%。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上,相對要晚得多,是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢,因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加,成本下降,它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5% 上升到二〇一八年的 9.7%,包括水力發電在內,再生能源的總貢獻量為 26%。

不過,就全球能源的占比,而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看,再生能源僅占約 18%,而傳統生質能則提供約 10% 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜,它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實,從現在開始,再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——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。

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【還能怎樣】林法正:智慧電網與再生能源
PanSci_96
・2014/11/25 ・3026字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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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