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光電/顯示技術  

技術進展加速再生能源普及

上網時間: 2016年05月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:再生能源  分佈式能源系統  DER  變電所  儲能技術 

在目前全球能源用量中,水力、太陽能、風力、地熱與生質能等再生能源約佔19%。由於科技演進以及平價與環保的能源需求增加,再生能源聲勢迅速看漲;再生能源市場及產業逐漸成熟,開拓著各種機會,也創造了新挑戰。隨著大規模地採用分佈式能源系統(DER)與自動化技術,加上儲能技術的進步,正加速再生能源進入主流發電市場。

圖1:加速再生能源普及的驅動技術

分佈式能源系統日益受歡迎,因為它能有效降低成本、提升效能,同時減少與傳統集中式能源系統的相互影響。隨著電池化學作用與效能提升以及遠距監控電池安裝的自動化,迫使公共事業單位與電網營運商重新思考如何改善需求管理。變電所實現自動化,可利用來自智慧電子裝置(IED)的資料,協助變電所進行監督、管控與自動化作業,使得DER與傳統電網在各種運作條件下都更加可靠。針對變電所的輸電系統進行監控,則使斷電情況隨之減少,更能透過遠端遙控機制,迅速重新配置能源。

分佈式能源系統

模組化的分佈式能源大都鄰近使用場所,一般也使用再生能源。在DER問世之前,太陽能、風力與水力公共事業拓展的一大障礙在於能源供應並不穩定,但有了微型電網(與公共事業電網平行運作的DER),即可改善再生能源的供電穩定情況,並降低對主電網的衝擊。

在21世紀的前十年,公共事業單位認為DER是競爭者或威脅,但這種態度在過去幾年來開始改變。隨著太陽能、分佈式發電與儲能系統愈來愈普及,公共事業單位面臨龐大壓力,不得不重新思考。根據Black & Veatch近期調查指出,74%的公共事業單位表示支持客戶額外加裝分佈式電網基礎設施,包括DER及能源儲存設備。公共事業單位逐漸明白,只要降低電網在尖峰時段所承受的需求,長期而言可節省龐大的資本及營運開銷;如果不必因迫切需求而在價格最高峰時向其他電力來源採購用電,同樣可讓公共事業單位受益。將分佈式電源納入供需模型後,公共事業單位可縮小尖峰與離峰需求的落差。DER的優點可分為四大類,如圖2所示。

圖2:分佈式能源系統的優點

穩定:美國白宮在2013年發表報告估計,與氣候相關的停電成本經通貨膨脹調整後,每年耗費的成本約為250億至700億美元,越來越多的企業無法負荷其資料中心、伺服器、製造廠房的停機損失,對傳統的集中式電網模式也形成了挑戰。除了中央電網以外,企業與公共事業能夠瞭解混合採用DER模式的價值,更能確保電網的高度可靠性,即使中央電網故障或短路,這種混合模式也能維持系統彈性。在每年的發電量規劃中,若在尖峰期間加入DER支援,就能大幅降低主電網的負載,確保供電維持高品質。

效能:根據美國能源資訊局(EIA)預估,美國每年的電力傳輸與配送約損耗6%,其中一大部份的損耗來自於中央電網至負載點相距數英哩所導致的長程線路損耗。DER拉近了發電站與負載點的距離,可直接減少線路損耗並提升效能。此外,發電所產生的熱能可讓鄰近廠房或其他設施加熱用水或產生蒸汽;均衡DER與中央電網的尖峰與離峰負載,也能改善效能;混合模式經過完善規劃後,才能為DER與中央電網的發電與配送配置最適合的資源。

永續:企業如今愈來愈重視設定及達成年度永續目標,藉以符合現有的資源需求,又不至於折衷未來世代的需求,DER為企業提供另一項途徑,將再生能源做為總能源用量的要角。例如Walmart的全球用電量中有26%來自DER與電網的再生能源,愈來愈多的企業也在長期策略中納入再生能源與能效。拜DER之賜,這些企業都能發揮守護環境的領導力。

安全:對於重要及連續運轉的計畫而言,能源的安全與彈性成為兩大重要因素。在2004年年度評鑑報告中,美國國土安全部(Homeland Security)工業控制系統網路緊急應變團隊指出,有32%的網路事件、新興威脅與、弱點都與能源產業有關,DER可協助組織增進獨立電網營運能力,有效因應與中央電網相關的風險。針對電力基礎架構,電網若能支持包含DER的混合架構,並能夠隔絕重要應用,自然能降低目前網路攻擊對中央電網的衝擊。

電網儲存技術

長久以來,能源產業不斷批評電網儲存技術既昂貴又無法擴張,如今卻認為這是未來能源管理系統不可或缺的要素。隨著電池化學作用與效能提升以及遠距自動化監控電池裝置主進展,迫使公共事業單位與電網營運商重新思考,如何改良供需管理;而能源儲存帶來最大影響之一,即排除了太陽能與風力供電不連續的障礙。

GTM Research指出,美國至2015年預估可建置220MW的能源儲存裝置,遠高於先前各年,傳統的中央電網設計僅服務供應商,而今在供需雙方均設置能源儲存解決方案後,對雙方都將產生變化,圖3整理電網儲存技術對公共事業、電網營運商及終端消費者的優點。

圖3:電網儲存技術對公共事業、電網營運商及終端消費者的優點。

公共事業:全球多家公共事業單位開始調整定價結構,依據一般住戶或商業用戶使用時段區分價格,消費者若能在離峰時段儲存用電,並在尖峰時段取用存量,就能獲益不少,公共事業也能因此降低發電量。針對傳統模式,公共事業得動用化石燃料發電機,在尖峰時段提高發電量,以平衡供需,有了能源儲存,可在每天不同時段彈性調整發電與供應,納入更多再生能源。

電網營運商:供需雙方都建置儲存設備後,電網營運商更能在公共事業與終端用戶之間平衡供需,為其提供各種服務,並確保電力系統穩定,若搭配能源規劃,還可能提供頻率與電壓穩壓與斷電啟動等。目前已有多項試驗計畫持續進行,研究終端儲存的電源如何送回電網,以滿足在特定尖峰時段中的需求。未來,電網營運商可整合供需雙方的儲存設備,盡量降低資本與營運開銷。

終端用戶:用電戶目前大多採取分時計價,使用儲能技術後,消費者可降低尖峰時段用電量,大幅減少能源成本,也降低公共事業的尖峰需求,進而縮減建置更多發電基礎設施的資本開銷。電網儲存為消費者創造彈性,並搭配再生能源採集功能做為能源選項。隨著如今越來越多的應用強調不斷電作業,能源儲存將在電網斷電時提供可靠的備用電力。

儲存技術日漸成熟,未來將由零排放的電網儲存技術逐步取代充滿雜訊與污染的石化燃料發電,成為大多數家庭、商業與公共事業的備援系統。

變電所自動化

整合中央電網、DER與電網儲存的關鍵之一在於流程自動化,讓電網內的能源生產、傳輸與配送可無縫接軌——從連結來源直到最後一哩與終端用戶。自動化能運用IED的資料,促成混合智慧電網運作監督、管控與自動化(如圖4)。在各種運作條件下,自動化可讓DER與一般電網更加穩定可靠,也更容易將多個微型電網納入一般電網,形成智慧電網,增加負載尖峰時段的效能及彈性。

圖4:變電所與配送自動化示意圖

完整的變電所控制中心自動化包括變電所閘道、資料集中器以及管控與資料擷取(SCADA)遠端終端組(RTU),監控變電所輸電系統可減少斷電,並透過遙控機制迅速重新配置能源,網路匯流可同時監控電網各不同的區段,協助公共事業與電網營運商減少斷電或電力中斷。

此外,這也有助於公共事業及早偵測到故障、隔離與迅速診斷,使用IED監控與蒐集資料後,公共事業可取用以往無法蒐集的龐大資料。透過分析資料,更能突破過往智慧電網建置與維運效能極限。變電所與配送自動化促進再生能源發電成長,也更容易納入中央電網。

總結

總而言之,再生能源市場未來漲勢驚人,特別是得力於變電所與配送自動化將再生能源DER與電網儲存納入中央電網。從傳統集中式電網轉型至包含DER的智慧電網,使其更容易整合再生能源。能源儲存正顛覆公共事業、電網營運商與消費者對於未來智慧電網的看法。在未來幾年,我們將會看到目前尚在試用中的家庭儲能至電網以及車輛至電網等技術大規模落實。總之,DER、電網儲存與變電所自動化這三大技術,將大幅加速再生能源成長。





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