用離岸風電取代深澳電廠之可行性評估

Naruden Boonareesirichai via Shutterstock
鑑於我從2011年到現在所累積的離岸風電與智慧電網專業知識,我嘗試提出一個大膽的想法,論述「臺灣海峽電網(Taiwan Straits Submarine Grid)」來增加電力系統的可靠度(Reliability),同時利用「海電北送(Offshore Wind Power Transmitted to Northern Region)」的概念來探索離岸風電取代深澳電廠的可行性。

最近深澳(煤)電廠是否興建,引起了社會大眾廣泛的討論,本文嘗試從離岸風電與智慧電網的角度來論述替代方案的可行性。

為了用一種更直覺的想法來思考這個問題,我們簡化IEC的智慧電網模型,把電力系統簡單區分成供電、輸配電、用電三大塊。其中,供電端包括發電與儲電,發電端可以透過輸配電來對儲電進行充電的動作,所以在用電與輸配電之間我給一個雙向的箭號。用電端則因為純粹消耗電力,所以和輸配電端是單向關係,電力從輸配電端流向用電端,被用掉消耗掉了。當儲電裝置進行放電的時候,則可以透過輸配電系統給用電端使用。

供電、輸配電、用電三者的關係
陳世芳

建置深澳電廠的目的主要是為了滿足用電端的需求,而深澳電廠是供電的其中一種方式而已。因此邏輯上如果要找到深澳電廠的替代方案,我們可以找「替代的發電方案」、「替代的儲電方案」來滿足深澳電廠的供電任務,然後根據「替代的發電方案」與「替代的儲電方案」的特性,來重新規劃我們的「輸配電系統」。

使用海底電網技術連結台澎金馬地區與離岸風場

鑑於我從2011年到現在所累積的離岸風電與智慧電網專業知識,我嘗試提出一個大膽的想法,論述「臺灣海峽電網(Taiwan Straits Submarine Grid)」來增加電力系統的可靠度(Reliability),同時利用「海電北送(Offshore Wind Power Transmitted to Northern Region)」的概念來探索離岸風電取代深澳電廠的可行性。

基本的構想是使用海底電網技術來連結台澎金馬地區以及離岸風場,其中,離岸風場又包含「固定式離岸風場(Fixed-bottom Offshore Wind Farm)」與未來成本會更低的「浮體式離岸風場(Floating Wind Farm)」。

所謂的海底電網技術,我舉例說明時選用第二代HVDC技術(HVDC Gen2),這個技術是ABB公司在1997年導入商業化,稱之為HVDC LightTM [1]。第一代HVDC技術(HVDC Gen1)奠基於閘流電晶體(Thyristor),而HVDC Gen2則奠基於絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。Thyristor的turn-on容易控制,但是turn-off難控制,而IGBT的turn-on與turn-off都容易控制,講白話一點IGBT是一個具備完整功能的可控制開關,自然效能優於Thyristor [2]。德國西門子公司亦有第二代HVDC技術,稱之為HVDC PlusTM,第一代技術稱為HVDC Classic [2]。GE Grid Solutions則稱第一代技術為HVDC LCC(Line Commutated Converter),第二代技術為HVDC VSC(Voltage Source Converter) [3]。

HVDC世代比較
陳世芳

ABB公司的前身ASEA公司在1929年發明了傳統HVDC技術,隨後在1954年導入LCC技術,讓第一代HVDC技術趨於成熟。1997年ABB公司同時採用VSC技術與IGBT技術,完備第二代HVDC技術,成功應用在瑞典的案場上。HVDC Gen2的特色是比較容易併網、反應時間較快、可提供黑啟動(Black Start)、AC電壓支持、虛工補償(Reactive Power Compensation)等輔助服務,所以越來越多電網公司採用這個技術 [5]。時至今日,HVDC Light的效能介於±80KV~±800KV、100MW~4,600MW、70~2,000公里,DC直流電達3,000A,使用壽命達30年。電子開關也從IGBT進化成BIGT(Bi-mode Insulated-Gate Transistors),變電站的損失低於1%。台電的朋友還認為需要500公里的距離使用HVDC技術才有成本優勢,忽略了4th HVDC LightTM的新技術,電力轉換損失低於1%,只要70公里就有成本優勢。如果是超大裝置容量,如2.4GW,可能更短的距離就有優勢,將來HVDC Light出現在臺灣海峽,可是一點都不驚奇。

ABB HVDC Light 效能區間
陳世芳

由於離岸風電的興起,傳統點對點的HVDC Gen2已經無法滿足需求,HVDC Gen2逐漸變成一個HVDC Gen2 Grid,變成一個電網的概念,這樣的架構我們稱之為多節點(Multi-Terminal)。我所提出的臺灣海峽電網概念,就是一個多節點的4th HVDC LightTM 海上電網。

我們從澎湖開始,拉一條海底電纜到北部,從核一、核二電廠上岸,利用原來的電網進入雙北地區,陸上電網不需要重複建設,用既有的就好。

為了增加這個系統的可靠度,我們亦規劃支線電網從淡水、桃園、新竹上岸,抒解中電北送的壓力。

全世界最挑戰的離岸風場

萬一核電廠的電網故障,我們還有三處上岸點可以供應北部用電。這個海上電網除了連接目前彰化地區的離岸風場以外,還可以連結未來會在桃園至苗栗外海的浮體式離岸風場,這是臺灣海峽風速最大的地區,也是全世界最挑戰的離岸風場,任何一個開發商在此地獲勝,也代表其技術實力達世界頂尖的水準。

目前台電的加強電力網計畫,雖然規劃了10GW讓彰化地區的離岸風場上岸併網,但是中電北送陸上電網依然容量不足,所以有海上電網支援,雙管齊下,這樣的電網系統就相對安全許多了。

長期以來,台電在金門、馬祖、澎湖燃油發電造成鉅額的虧損,我們可以用未來30年虧損的金額來蓋這一個臺灣海峽電網,資金上應該綽綽有餘。從此,金門、馬祖、澎湖再也不用擔心供電問題,因為後面有一個很大的電網支持。

臺灣海峽電網與海電北送概念圖
陳世芳

目前離岸風電申請容量約10GW,蔡政府規劃在2025年以前建置5.5GW,還剩下4.5GW的空間。倘若我們把這4.5GW加上浮體式離岸風電的3GW,總數約7.5GW。根據經濟部再生能源躉購費率公聽會使用的離岸風電參數,年平均容量因素用42%估計,7.5GW的容量一年可以發電276億度電。

倘若我們使用GE Renewable Energy(GERE)的Haliade X 12MW風機,年平均容量因素達63%,一年可以發電414億度電,差不多就是台灣三座核電廠的年總發電量了。深澳電廠總共1.2GW,如果用2017年台灣地區燃煤發電年平均容量因素78%估計,一年發電量約82億度電。相較於離岸風電276至414億度電來說,離岸風電發電量是深澳電廠的3.4至5.0倍。

讓離岸風電+臺灣海峽電網取代深澳電廠,可能是一個更好的選擇。深澳電廠這1000億元的投資加上未來30年澎湖、金門、馬祖的燃油發電虧損金額合計來發展臺灣海峽電網,應該是綽綽有餘。

GE Haliade-X 12MW離岸風機
陳世芳

HVDC技術已經演進到第二代了,ABB的HVDC Gen2技術也已經演進到第四代了。新的技術發展,帶來許多新的可能性,我相信未來的某一天,臺灣海峽電網必定實現,就像2011年我相信臺灣海峽會豎立數千支離岸風機一樣,我們正逐漸朝這個願景前進。

綠電成功,電網先行,這是非常重要的觀念。臺灣海峽如果要豎立數千支離岸風電,也必定需要一個強韌的臺灣海峽電網支援,才會達到最好的效果。我的盟友們,我需要你們的幫忙,一起實現這個願景,麻煩把你們的力量借給我,我們一起來改變歷史,創造更美好的未來。

參考資料:
  1. ABB, “Special Report 60 years of HVDC,” ABB Review, 2015.
  2. C.M. Liaw, “Introduction to Power Electronic Devices,” Department of Electrical Engineering, National Tsing Hua University, Hsinchu, 2006.
  3. Siemens, “HVDC Benefits,” Siemens, 2018. [線上]. [存取日期: 07 05 2018].
  4. GE Grid Solutions, “HVDC Systems,” GE Grid Solutions, 2018. [線上]. [存取日期: 07 05 2018].
  5. Magnus Callavik, Peter Lundberg Jurgen Hafner Hand Bjorklund 且 Munaf Rahimo Franc Dugal, “Energy Trsnsition:Evolution of HVDC Light,” ABB Review, 2018.
《數位時代》長期徵稿,針對時事科技議題,需要您的獨特觀點,歡迎各類專業人士來稿一起交流。投稿請寄edit@bnext.com.tw,文長至少800字,請附上個人100字內簡介,文章若採用將經編輯潤飾,如需改標會與您討論。

(觀點文章呈現多元意見,不代表《數位時代》的立場。)

陳世芳

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。

追蹤我們