從IEC智慧電網看兼容並蓄的能源轉型

2017.10.30 by
陳世芳
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陳世芳,麥斯管理顧問公司創辦人、佑勝光電監察人、天使投資人。2004年9月起進入創投行業,目前經營自己的管理顧問事業,幫忙新創公司打雜。專業能力包括但不限於企業發展、技術前瞻與預測、產業分析、募資。

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兼容並蓄的能源轉型能源轉型是一個兼容並蓄的過程,最後是一個混合型的系統,同時存在高密度集中式發電與低密度集中式發電與分散式發電。少數人士認為分散式發電會取代集中式發電,這是個認知有誤。亦有少數人士認為能源轉型是直接跳到分散式發電,這個認知也有誤。

專業的基礎,往往來自於學術論文或研究報告。我這一系列的智慧電網文章,會根據IEC所出版的報告書來做論述,並非自己獨創。

IEC智慧電網七欄六列16區塊

為了方便廣大讀者學習,我把IEC智慧電網架構圖簡化(如圖一)。

這是一個矩陣式架構,一共是七欄六列16區塊。七個縱向的欄位分別是:發電、輸電、配電、分散式能源資源(DER)/分散式發電、用電、通訊與跨領域(crosscutting)。六個橫向列位分別是:流程、變電站所、現場、營運、企業與市場。

IEC智慧電網架構定義了16個區塊,散佈在七欄六列當中,分別是:(集中式)發電廠、通用變電站、電纜與架空線、配電自動化、現場人力、電力系統營運、企業、批發能源市場、分散式能源資源/分散式發電、先進讀表建設(AMI)、工業自動化、電子移動建設、家庭與建築自動化、零售能源市場(含虛擬發電廠Virtual Power Plant)與通訊建設與跨領域功能(電信、安全性、電磁相容性與電力品質)。寫到這裡,你可能已頭暈眼花,請不要難過,我自己也背不下來,充分理解這張圖片更重要。

陳世芳

圖一:IEC智慧電網架構簡圖。

「低密度集中式」而非分散式發電才是近年快速成長的領域

電力上規範集中式發電(Centralized Generation)需經過輸電網路再送到配電網路把電用掉。而分散式發電(Distributed Generation)則不需要經過輸電網路,直接連上配電網路。所以IEC特別把DER獨立成一個區塊,而不是放在發電這個項目上。

用個更直覺的方式表達電力流動的路徑(使用IEC定義的欄項目):
1.集中式發電:(集中式)發電→輸電→配電→用電。
2.分散式發電:分散式能源資源(DER)/分散式發電→配電→用電。

我從事多年的電力研究後,觀察到多數的論述在比較集中式發電與分散式發電的優缺點,造成對立或二選一的現象。其實,雙方各有千秋,最後兼容並蓄,不會互相取代。

這裡我想聊一個新的定義:用單位面積的功率(MW/Km2)區分高密度集中式發電(High Density Centralized Generation)與低密度集中式發電(Low Density Centralized Generation)。

陳世芳

表一:高低密度集中式發電之比較

前者包括天然氣發電、燃煤發電、核能發電、燃油發電,後者包括地面型太陽能、陸上風電、離岸風電、水力發電與其他綠電(如表一)。

如果各位查詢全世界綠電成長相關研究報告,再參照我的分類方式,可以發現全世界裝置容量成長速度最快的領域是「低密度」集中式發電,而不是「分散式」發電,也就是說,部分人士把分散式發電當成主流市場,實為誤解。

表一中太陽能面積功率密度介於31.48至64.8MW/Km2之間,倘若太陽能的容量因素為15%,換算成有效發電功率密度約是4.72至9.72MW/Km2。而陸上風電的容量因素假設為30%,換算為有效發電功率密度約是11.41至12.74MW/Km2。

透過比較,我們可以約略看到陸上風電的發電效率比地面型太陽能高出許多,自然陸上風電發電成本比太陽能便宜許多。

如果假設離岸風電的容量因素為45%,換算為有效發電功率密度約2.32至3.74MW/Km2,可見得現階段離岸風電的成本遠大於陸上風電與地面型太陽能。

當然,這樣的計算是有瑕疵,並不能直接對應到成本上,只不過這是物理上面的限制,對於成本數字還是有一定程度的影響,所以特別拿出來說明,讓大家理解。

這個估計方式並不適用於高密度集中式發電,因為綠電沒有燃料費用,成本結構不同。同樣的概念可以估算,水力發電是目前成本最便宜的綠電。

離岸風機長大面積功率密度也會跟著長大

值得慶幸的是,離岸風機近年來有長大的趨勢,從3.6MW變成6MW、8MW,也許明後年西門子與MHI Vestas將推出10MW風機,而DONG Energy則預測2025年會看到15MW的風機。

我們看到西門子的風機從3.6MW長大到6MW時,面積功率密度從5.16 MW/Km2提高到8.31 MW/Km2,顯示風機長大確實提高了發電效率,當然也會降低發電成本。

風機長大與面積功率長大未必是線性關係,但是為了給大家一個直覺上的概念,姑且假設是線性關係。從3.6MW到6MW,風機長大67%,面積功率密度長大61%,換句話說面積功率密度長大的速度約為風機長大速度的91%。假如今天風機從6MW長大至15MW,風機長大150%,面積功率密度將長大137%,大約是11.35MW/Km2。

這裡面的關鍵在於風機的塔架是否能夠如預期般長大,長得更好還是長得更差,將明顯影響11.35 MW/Km2這個數字是否會成真。如果塔架長得很高,讓輪鼓高度接近200公尺,也許11.35 MW/Km2這個數字會變成真實。

兼容並蓄的能源轉型

表一的研究是我觀察到的現象,尚未變成一個非常堅實的學術研究,如果可以把台灣的電廠或全世界的電廠作一個完整的分析,會有很高的學術上的價值。這邊舉的例子都具備代表性與參考價值。

能源轉型是一個兼容並蓄的過程,最後是一個混合型的系統,同時存在高密度集中式發電與低密度集中式發電與分散式發電。但是從裝置容量成長發展過程,則呈現下面的趨勢:

1.能源轉型的過程(容量成長):高密度集中式發電→低密度集中式發電→分散式發電。
2.能源轉型最終的樣態:高密度集中式發電、低密度集中式發電、分散式發電三者並存。

少數人士認為分散式發電會取代集中式發電,這是個認知有誤。IEC的智慧電網架構裡面,並沒有拿掉集中式發電,暗示我們最後會並存。亦有少數人士認為能源轉型是直接跳到分散式發電,這個認知也有誤。因為中間還有一個低密度集中式發電正在興起且裝置容量遠遠超越分散式發電 。

低密度集中式發電正在快速興起,政府的20GW太陽光電計畫,其中地面型太陽能佔17GW(低密度集中式發電)、分散式太陽能佔3GW。台灣的風力發電,包括陸上風電與離岸風電多數屬於低密度集中式發電,僅有100KW以下的小型風機,屬於分散式發電,比例微乎其微。

大型高密度集中式發電廠將帶來嚴重的電力危機

前行政院院長林全曾在立院報告,備轉容量維持在7.2至15%比較適合,然而我們分析幾個台灣現存或已建好的高密度集中式發電廠,看到其所佔比例分佈在5至18%,其中大潭電廠最終階段將達18%(目前11%)、台中發電廠達14%。這兩個電廠萬一有意外,全台灣必定大規模停電。

815大潭電廠的教訓,已經驗證這個事實。也許,未來我們應該限制單一電廠的最高佔比,我認為如果是7.2至15%的備轉容量,則單一發電廠(非單一機組)的佔比應該限制在3%以下,保留充分的空間來應付突發狀況。如果用40,922.8MW的3%估計,單一電廠容量應該限制在1,228MW以下。

既有的大型電廠,未來機組可能開其中幾個就好,一方面可以降低空氣污染,另一方便也有減碳的效果。例如台中電廠十部機組,也許開幾台滿載發電就好,還給中南部地區一個乾淨的生活環境。大潭電廠本來的設計就是備轉使用,當我們的電力供給充裕,也就不需要全部的機組都打開,回歸原始設計目標。

參考資料:
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