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實現淨零碳排:臺灣能源轉型新解方

實現淨零碳排:臺灣能源轉型新解方

唐祖湘、陳怡如

科技

工業技術與資訊

2021-09-16

臺灣98%能源靠進口,卻是全球人均用電第11名。我們不能無節制的增加用電,而是引進電力承載順序,從節約能源、需量反應到分散式再生能源,創造經濟與減碳雙贏,打造綠色永續臺灣!

零碳與電力需求的平衡點

綠能科技助臺灣邁向淨零永續

 

 

高雄火力發電廠

根據環保署「國家溫室氣體排放趨勢報告」顯示,能源部門歷年為臺灣溫室氣體總排放量最大之部門,占比超過9成。圖為高雄火力發電廠。
 

全臺5月均溫創下74年當月新高,氣溫攀高致電力需求激增,連帶使臺灣電力議題浮上檯面。然而,全球百餘國已宣示2050淨零碳排,在零碳與電力需求之間,平衡點在哪?工研院綠能與環境研究所副所長劉志文,深入剖析臺灣電力供需實況,並為我國推動能源轉型,邁向淨零碳排尋求完美解方。

 

全球暖化問題日益嚴重,減碳乃至零碳,是當前國際社會共同努力的目標。根據環保署「國家溫室氣體排放趨勢報告」顯示,石化燃燒歷年為臺灣溫室氣體總排放量最大之來源,占比超過9成,其中又以電力公司以石油、天然氣等化石燃料發電占了60%,是二氧化碳排放最大來源,再來是運輸與製造產業,各占約15%,剩下約10%為農業與環境。

 

環保署

 

綠電加碳捕捉 可大幅降低碳排放

 

「國內降低溫室氣體首要目標,就是要讓燃燒化石燃料的發電廠,逐步轉為再生能源,也就是用『綠電』,就沒有碳排問題。」工研院綠能與環境研究所副所長,同時身兼電網管理與現代化策略辦公室主任劉志文指出,臺灣再生能源以太陽光電、離岸風力發電為主力,預計2025年兩者裝置容量可分別達到20GW、5.7GW的目標,屆時再生能源發電占比將至20%;「希望再過30年,也就是2050年,世界主要國家及國際組織主張實現淨零排放的時間點,再生能源發電占比能接近百分之百。」

 

劉志文指出,要達成這個目標,除了擴大再生能源發電,運輸部門與製造部門也要跟著調整,像是將傳統燃油汽機車汰換為電動車,過去製造多採用化石燃料,現在也要朝向電氣化發展,或選擇不會產生二氧化碳的氫能取代,但無論是電動車、電氣化與生產氫能所需的電力,來源仍是電力系統,因此需回歸到積極發展再生能源發電,才能顯著降低二氧化碳的排放。其他難以實施電氣化的領域,則可透過碳捕捉、封存或再利用技術,投入新的製程中循環再利用。

 

劉志文

 

發展再生能源 儲能系統是關鍵

 

雖說再生能源是國際趨勢,不過劉志文不諱言,再生能源具有間歇性且不易預測的特質,一般會有無法穩定供電的疑慮,特別是今年5月13、17日發生兩次輪流停電,讓臺灣是否缺電、未來再生能源發電占比提高,停電情況是否將更頻繁等議題引起討論。劉志文指出,5月的停電事件,肇因於人為操作疏失及系統設計問題,造成電廠發電機組跳機,台電為避免當下供需失衡導致系統崩潰,所採取部分停電的預防性措施,屬於調度決策的問題,其實與缺電無關。

 

那臺灣究竟缺不缺電?劉志文提出數據表示,全臺傳統火力電廠、再生能源、民營電廠、汽電共生系統等容量加總起來,總裝置發電容量約50GW,這個數字代表我們的供電總能力,而用電最高峰則在39至40GW之間,理論上備用容量仍有10GW以上,即使到了夜晚,再生能源無法充分發電,減少了5GW供電量,但相對晚上通常不會出現尖峰,因此備用容量仍有7、8GW之多,「因此我們並不存在缺電問題,更應把焦點放在落實電力管理與系統規劃及運轉上。」

 

至於外界擔心的再生能源間歇特性,導致晝夜發電落差,或因天候因素波動影響供電能力,「這個問題放眼全世界,只要發展綠能的國家都遇過,但透過儲能系統等技術協助,並非無法解決,」劉志文舉例,例如正午太陽光電發電強烈,可將多餘的太陽光電儲存起來,應付夜晚的電力需求,有助於穩定化供電。

 

在儲能系統方面,現階段鋰電池為儲能系統的主流,屬於化學儲能技術,國內廠商從上游原始材料、中游電池芯、下游模組製造,以及系統管理等,相關產業鏈布局完整,世界各國對鋰電池的製造材料、穩定性與安全性也不斷提升與改善。

 

另一種儲能系統為抽蓄水力,是水力發電再搭配下流蓄水庫,利用高低落差的水流力量推動發電機來產生電力,發完電後再將水從蓄水庫抽上來,可以反覆利用;臺灣抽蓄水力年發電量約260萬kW,雖然不多但升降載快速,能夠即時供應電力,對電力穩定供給扮演關鍵角色。劉志文提醒,極端氣候導致旱澇交替,水量不穩定,影響水力發電量,未來建議水電資源一併考量,在儲水上做更好的規劃安排,才能繼續扮演穩定供電的關鍵角色。

 

電力承載順序以需求面管理優先

 

隨著經濟發展與氣溫升高,國內用電尖峰每年呈現3%至5%成長,加上再生能源發電比例日益增加,凸顯電力系統管理的重要性。工研院引進國際間「電力承載順序」(Loading Order)的新觀念,也就是當電力系統面對用電量攀升以及負載端多樣的需求時,尋求解決辦法的優先次序。

 

劉志文說明,電力承載順序依照先後順序,從推動需量反應、節約能源、分散式電源等方式,解決電力問題,以抑低尖峰負載達到穩定電力供需平衡;若皆不可行,再來考慮規劃蓋變電所或新傳統火力電廠。

 

「以需求面管理優先,是對環境最友善的作法,只要是蓋電廠,對環境、空氣、水質都會造成破壞,就算興建的是零碳排的再生能源電廠,仍會占用農漁業的土地空間,」劉志文解釋,蓋電廠並非一勞永逸的解方,若無法有效抑低尖峰用電成長,「蓋再多電廠都不夠用!」遺憾的是,當碰到電力問題,許多人最直覺的念頭仍是蓋電廠,這與減碳的潮流恰恰背道而馳。

 

「理想的需求面解決方案是有效運用負載管理,讓尖峰負載零成長,藉由節約能源措施,降低或停止總體用電量繼續往上增加,不過這樣的努力還需要工業、製造業等業者共同參與,」劉志文說,像是今年起正式上路的「用電大戶」條款,即規範契約容量5,000kW以上的企業用戶,需設置一定裝置容量的綠電發電設備或儲能設備,用戶可利用自設綠電,規劃負載用電排程,達到產品使用到綠電百分比;此外,台電設計不同需量反應方案,藉由調整電力價格或提供折扣等誘因,鼓勵企業與一般用戶配合移轉尖峰用電時間,降低發電端的負載,發揮平衡作用。

 

在供給端,再生能源的間歇性、不易預測,是再生能源併網與電力調度的最大挑戰,可預測再生能源發電、確保電力穩定供應的智慧電網(Smart Grid),扮演重要角色,但要充分發揮其特性,結合通訊傳輸功能的智慧電表的普及裝設是關鍵。劉志文表示,目前全臺2萬多戶高壓或大型工業用戶已完成布建,一般低壓或民生用電約100萬戶,若能再布建得更完整,蒐集使用數據愈多,愈能優化電力調度,還能進一步促使用戶改變用電習慣,發揮節能效果。

 

以虛擬電廠精確調度 達成電網穩定平衡

 

作為產業科技的先行者,工研院也運用科技,協助維持電力系統的穩定性,像是開發「虛擬電廠」(Virtual Power Plant;VPP)驗證平台,透過資通訊技術整合分布在各區域的分散式資源,如儲能、需量、再生能源或小型發電機等多元資源,進行運轉監測分析與決策,當電網需用電時,VPP可調度轄下各種資源,提供輔助電力;反之,當電網發電過多,可彈性提升負載或以儲能吸收電力,協助達成平衡。

 

劉志文透露,工研院現正與電信業者合作,利用VPP雲端網路技術聚集基地台的用電資訊,以演算法排程發號施令,準確控制調度,使得基地台於特定時段或尖峰,運用先前存入儲能系統的備用電力,自給自足供電,不僅可成為電力調度的救援部隊,還有機會加入需量反應機制,創造額外收入。

 

另一方面,隨著國內電力市場逐步開放,民間電廠、企業自用發電漸增,劉志文建議,電力調度操作的任務,可考慮從台電調度處釋放出來,借鏡國外作法,設立「獨立電力調度中心」(Independent System Operator;ISO),並在其上層設立電業監督管理機關,訂定調度規範,要求ISO執行,將有利於電力自由市場公平競爭。

 

邁向2050淨零碳排,不只是臺灣是世界村的一份子,為環境永續盡心力;許多國家也都開始針對高排碳產品實施碳關稅、碳權、碳交易等,如果減碳的步調太慢,可能危及臺灣產業的國際競爭力。劉志文呼籲,電氣化、電力系統無碳方案應加速落實,需求面管理也要加快腳步,在供電穩定基本前提下,靠智慧電網、VPP與儲能系統等新科技,促使綠電極大化,全民朝著2050年實現淨零碳排的目標全速前進。

 

獨立電力調度中心

臺灣可借鏡國外作法,設立「獨立電力調度中心」,並在其上層設立電業監督管理機關,訂定調度規範,要求ISO執行。圖為IESO控制系統室(IESO提供)
 

為能源轉型做好準備

臺灣應具全方位電力調度思維

 

電力調度

所謂的電力調度,就是在電力資源有限的前提下,做最佳化的處理。首要考量是系統安全,其次是品質,也就是穩定供電,最後才是以最經濟的方式達成電源排程上的指令調度。
 

今年7月中因高溫炎熱,居家與民生用電雙雙攀升,瞬間尖峰突破3,800萬瓩,用電量創下史上新高,考驗我國電力調度的能耐。究竟何謂電力調度?面對臺灣未來的能源轉型,電力調度又該如何突圍?擁有10年電力調度值班經驗的前台電副總籃宏偉,現身說法電力調度的過去與未來。

 

曾在台電服務長達43年的前台電副總籃宏偉,擁有10年在第一線調度台的經驗,他形容:「調度員一天24小時,分分秒秒都在煩惱,就像煩惱小孩,從出生到長大,每一階段各有不同煩惱。」究其原因,正是因為電力調度需考量氣溫、季節、經濟景氣和節慶活動等諸多複雜因素。

 

受到極端氣候影響,全球氣溫不斷升高,導致用電攀升,夏冬用電也大不同。在經濟景氣上,過去金融海嘯用電暴跌;最近疫情臺商回流,則導致工廠用電突增。遇上節慶活動,如過年連假是臺灣用電最低峰;歐洲風靡足球賽,賽事期亦是用電高峰。

 

除了外部環境考量,預測負載時也需納入設備檢修、經濟調度、燃料限制、購電合約、用水協調等因素,有時還要因應突發狀況,比如今年因為紓困,夏季電價凍結,「這些也都會造成在調度上,短中長期挑戰。」因此即使臺灣電力裝置容量大於瞬時尖峰,仍需以電力調度來達成穩定供電。

 

像是今年5月發生的兩次大停電,其實真正原因跟缺電無關,但也因此凸顯電力調度的重要,透過電力調度能夠做到事前負載預測,就算災情不幸發生,也能搭配快速反應機組,縮短復電時間,以減緩災情影響程度,因此,比起蓋電廠,更應思考如何精進電力調度作為。

 

而所謂的電力調度,「就是在電力資源有限的前提下,做最佳化的處理。」調度時,首要考量是系統安全,其次是品質,也就是穩定供電,最後才是以最經濟的方式達成電源排程上的指令調度,「在眾多限制中,找出最好的一條路,這就是調度最辛苦的地方。」

 

再生能源間歇供電 第二尖峰拉警報

 

近年來環保意識抬頭、綠電興起,目前臺灣的能源轉型策略,以「減煤、增氣、展綠、非核」為核心,預計在2025年時,達到「天然氣50%、燃煤30%、再生能源20%」的532電力配比。隨著再生能源的占比逐漸攀升,對電力調度來說是一個不小的挑戰關卡。

 

太陽能、風力等再生能源易受天候變化影響,有著「看天吃飯」的特性,屬於「間歇性能源」,併入電網後會對電壓、電流產生擾動,不僅容易造成系統衝擊,也讓「第二尖峰」的調度問題浮上檯面。

 

籃宏偉指出,過去臺灣的用電尖峰,大約落在下午1點至3點,又稱為「第一尖峰」。隨著再生能源崛起,太陽能在白天發揮效力,目前約可貢獻300~400萬瓩,補足用電尖峰,現行台電的備轉容量率燈號,皆以第一尖峰為主,大多可維持在10%以上的綠燈信號。

 

反倒是太陽下山後,傍晚至晚上的第二尖峰,頓失太陽能一大電力來源,「這相當於有3部核能機組跳掉,備轉容量率多在6%至8%徘徊,是近年電力調度最需克服的挑戰。」

 

電力交易中心上線 踏出能源轉型關鍵一步

 

雖然再生能源有其不穩定性,但籃宏偉認為,「再生能源是老天給的禮物,也是零碳能源,要學著接受、適應、改善,與它共生共存,」他比喻,「就像陪公子唸書,公子白天念書,晚上不念,就要找人替他念,而不是一味否定他。」因此在調度上,要因應再生能源做全盤的策略規畫。

 

例如:在整體供電穩定上,提升負載及發電預測能力,提前規劃設備歲修排程、重新計算備用備轉容量、精進區域電網的分析能力等。面對新的尖峰挑戰,系統也必須大量增設具備快速升/降載的尖載機組,同時強化需量反應,讓尖峰用電平均在不同時段,強化儲能機制,如此多管齊下,才能維持調度平衡。

 

而今年臺灣電力系統更有一大進展,今年7月,台電規劃的「電力交易中心」正式上線,為臺灣電力轉型寫下重要里程碑。過往台電以調度燃煤電廠、核能電廠和燃氣機組等大型機組為主,新推出的電力交易中心則像股票交易市場,由台電擔任買方,賣方則為民營傳統發電業者、自用發電設備設置業者(如太陽光電)、改變電力使用行為的用戶(需量反應)與儲能業者等4種身分相互競價,目前先開放3項輔助服務交易項目,讓台電購買,藉以維持電力系統穩定。「有了這些工具,電力調度者將有更多彈性與餘裕,來應付瞬息萬變的電力供需變化,」籃宏偉說。

 

電力調度牽一髮而動全身,籃宏偉認為,電力調度不能看單一點,而是要做整體考慮,這些都有賴於系統開發單位在前期規畫階段就要妥善安排,從制度、市場、法規、技術等面向著手,而臺灣正值能源轉型的關鍵時刻,電力調度必須改變思維,才能趕得上時代的進步。

 

藍宏偉

 

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