德瑞克說碳金融》第二十七講 :削峰填谷 運籌帷幄–談談智能電網遭遇的挑戰
大家好,我是德瑞克,我對氣候變遷議題下的碳金融有高度興趣,同時也抱著高度質疑。 (圖片來源:https://pixabay.com/) 上一講,我們提到當越來越多的可再生能源併進電網中時,因為其分佈式與隨機/間歇的特性,將使得現存的電網面臨挑戰,而必須要升級。 電力供給最重要的是穩定與安全,不能少也不要多。面對可再生能源所帶來的變動性,需要將其削峰填谷來達成平穩供應,而電力公司如何運籌帷幄來達成目標,智能電網將是很重要的工具。 電的傳導速度接近光速,因此電力公司的任務,就是零時差地讓所有的發電等於需求。打個比方來說,所有的電力供應跟電力需求,無時無刻都在拔河,而這場拔河,發電端的任務就是要一直維持和局,不贏也不輸,要剛剛好等於需求才行。 (就像《魷魚遊戲》一樣,電網的拔河可不能輸,輸了後果不堪設想。圖片來源:《魷魚遊戲》劇照) 而拔河繩的中間識別輸贏的紅色標誌,就叫做「供電頻率」。 現在電力公司所供應的都是交流電,世界上國家使用的都是50Hz或者60Hz。台灣的交流電頻率是60Hz,美國也是。而歐洲國家跟中國大陸走的則是50Hz的體系。 所謂的60Hz,就是每秒有60個週期,因此會把電力公司的發電機設定為與此相同的轉速。而其他像是太陽能發電、風力發電,或是儲能電池,也都需要透過逆變器(Inverter),將電力轉換成與電網同步的交流電之後才能併進電網裡。也就是電網上所有的發電設備,等效轉速都同步在60Hz的頻率上。 這時如果電網上的用電量增加,相當是負載變大了,發電機要推的東西變重了,就會使得發電機的轉速慢下來,因而使得交流電的頻率下降。頻率下降就代表電網上的電力「供不應求」,拔河繩被用電需求那邊拉過去了!這時候電力公司就得增加發電,多出一點力把轉速拉回來,讓頻率回到60Hz。 相反地,若是供電頻率上升,則代表電網上的電力「供過於求」,電力公司就會減少發電或是轉進儲存端。 我們來介紹一下發電端的四位拔河隊員,分別是「風」、「光」、「水」與「火」。 (資料來源:https://pixabay.com/) 風,就是風力發電,受季節與地形的影響很大,而且隨機性最強。這位選手很自由,想上場拔河就上去出點力,臨時覺得手痠了,繩子一放人就跑走了,很難預測它的行為,因此要讓它當往後的主力選手,電力公司心裡總是捏一把冷汗。 光,就是太陽能發電。太陽的可預測性比較高一些,可是問題在於只有白天能發電。下圖為2016年10月22日加州實際的數據,灰線為太陽能發電量。我們可以看到,太陽能發電從早上八點開始逐漸增加,直到下午兩三點左右達到高點,然後發電就開始一路減少,直到太陽下山發電歸零。 可是人們在下午五六點下班以後,晚間家庭用電才正要開始啊!開燈、看電視、洗烘衣物、烤箱料裡食物等等,用電需求會一路上升到晚上八九點,直到開始有人陸續入睡,用電才逐步減少,如下圖藍線。 所以藍色線(用電需求),減去灰色線(太陽能發電)之後,剩下來的橘色線,就是電力公司要想辦法去調度其他發電的。 橘色線有個很可愛的名字,叫做鴨子曲線(Duck Curve)。早上七點翹起來的是鴨子的屁股,然後上午八點到下午五點之間凹下去的是鴨子的背部,最後從下午一點一路拉高到下午七點的上升曲線,就是長長的鴨脖子。東山鴨頭的鴨脖子很可口,但是duck curve的鴨脖子卻是不容易啃。 鴨脖子曲線上升的越陡峭,代表電力公司的挑戰越大,因為代表要在短時間內調度這麼多其他電力,來支撐太陽能少去的部分。 (資料來源:Widipedia) 有人問,那如果多裝一點太陽能板,是不是就可以減緩鴨子曲線? 很不幸地,事實正好相反。如下圖的2012年黑線,逐年到代表2020年的紅線,當太陽能被使用的越多,會讓鴨子更曲線玲瓏。也就意味著,當一個地區的太陽能越普及,電力公司得花更多心力調度電力,才有辦法「削峰填谷」。 講到「削峰填谷」,就得介紹接下來的兩位傳統老將,水與火。 水,是水力發電,有其環境先決條件,要有足夠水量與高低地形落差才能設立。水力發電在電力調度中扮演很重要的腳色,因為它不只可以當「發電方」,也可以當「用電方」。當電力不足時,就從高位放水沖下來,利用水勢帶動發電;而當電力過剩時,則可以用馬達把水從低位抽到高位,把能量儲存起來。 […]