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18/06/2021

綠能自發自用!「虛擬電廠」彌補太陽能、風力發電缺憾,緩解智慧城市停電危機!

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  • 方展策

    方展策

    少年時,曾研習 Geographic Information System,可惜學無所成,僥倖畢業。成年後,誤打誤撞進入傳媒圈子,先後在印刷、電子、網絡媒體打滾,略有小成。中年後,修畢資訊科技碩士,眼界漸擴,決意投身初創企業,窺探不同科技領域。近年,積極鑽研數據分析與數碼策略,又涉足 Location Intelligence 開發項目;有時還會抽空執教鞭,既可向他人分享所學,亦可鞭策自己保持終身學習。

    智城物語

Photo: 圖片由作者提供

  今年2月美國德薩斯州因極端天氣而出現大規模斷電,2018年9月日本北海道則因地震而造成大停電事故,可見城市遭受天災侵襲後,難免要面對停電危機。當碳中和成為世界各國共識,綠能浪潮已席捲全球,但太陽能、風力抑或水力發電都易受天氣影響,引致電力供應波動,所以如何讓綠能供電變得穩定,就顯得份外重要。「虛擬電廠」方案的誕生,除可緩解供電不穩的問題,更可鼓勵社區用電自給自足,有助建立能夠承受天災衝擊、具有營運韌性的智慧城市(Resilient Smart Cities)。

 

2021年2月中,來自極地漩渦的寒流侵襲美國德薩斯州,造成大規模停電事故,有450萬戶家庭與企業斷電,供水設施、食物供應鏈、網絡通訊設施均陷入癱瘓狀態。(圖片來源:Pixabay網站)

 

碳中和刺激綠能發電需求

 

  先有《巴黎氣候協定》的通過,後有全球氣候峰會的承諾,目前已宣示碳中和的國家累計佔全球GDP的75%、全球碳排放量的62%以上。所謂「碳中和」(Carbon Neutrality),意指國家、企業或組織在一定時間內產生的溫室氣體排放總量,透過使用綠能取代化石能源、或植樹造林等方式,抵銷自身產生的溫室氣體排放量,以達到「零碳排放」的效果。

 

  近年綠能發電增長迅速,全球發電量從2000年2,872 TWh(Terawatt-hour,十億千瓦時),倍增至2018年6,673 TWh。但在綠能市場中具領導地位的水力發電,增長反而放緩,發電量比重從2000年92.4%大跌至2018年62.8%。這是因為水力發電有地理條件限制,尋找適合地形來興建水壩與水力發電站,已變得愈來愈困難。

 

  至於太陽能與風力發電,因受地形的限制較少,故以驚人的速度成長起來:前者增長516倍,全球發電量達584 TWh;後者成長39倍,發電量達1,269 TWh。參照2016年全球用電量為23,032 TWh,太陽能與風能只可提供當中的8%,可見兩者還有很大的增長空間。

 

大型水力發電工程中所修建的水壩,常會影響河流生態,而且在少雨季節發電量少時,水力發電站可能要暫停發電。(圖片來源:Pixabay網站)

 

鋰電池降價推動綠能成長

 

  不過,太陽能與風能受太陽照射時間、風力變化等自然條件限制,發電量並不穩定,必需搭配儲能系統(Energy Storage System)方可讓電力輸出穩定。鋰電池擁有使用壽命長、能量密度高的特性,很適合用於儲能裝置。得益於電動車發展,鋰電池價格已從2010年的每千瓦時(kWh)1,000美元(約7,800港元),降到現時的每千瓦時186美元(約1,451港元)左右。在鋰電池價格持續下滑的情況下,預期太陽能、風能的投資成本將會愈來愈低。

 

  國際再生能源機構(IRENA)指出,受惠於綠能技術成熟與儲能設備規模擴大,自2010年起太陽能成本已大降82%,陸上風電和離岸風電成本則減少39%和29%,預計2021年燃煤電廠成本可能會比大型太陽能電廠還要高出一些。

 

  由是之故,市場對儲能設備的需求將會持續增加。市場研調機構IHS Markit評估,及至2021年,全球儲能設備年安裝量將首度突破10 GW(Gigawatt,吉瓦,即100萬千瓦)大關,比起2020年的4.5 GW暴增一倍以上。另一市場分析機構GlobalData預測,全球電池儲能市場可望於2025年達到110.4億美元(約861.1億港元)的規模,即是5年內增長近50億美元(約390億港元)。

 

風力發電站的建造費用較水力、燃媒或核能發電廠便宜很多,所以近年在綠能市場中急速冒起。(圖片來源:Pixabay網站)

太陽能受氣候、晝夜的影響很大,以致發電量極為波動,因此必須配有儲能裝置來儲存剩餘電能,以維持電力輸出穩定。(圖片來源:Pixabay網站)

 

綠能+儲能催生虛擬電廠

 

  當未來太陽能、風能被大量引進後,各家各戶便可透過儲能系統,補足間歇性電量不穩時的需求,如同一座「虛擬電廠」,形成分散式發電(Distributed Generation)模式。相比起燃煤、核能電廠等集中式發電,分散式發電系統主要由小型綠能發電設施所組成。人們可以在屋頂裝設太陽能板,既可實現電力自給自足,又可把剩餘電力供給中央電網使用,讓用戶也可變成供電端。

 

  如此一來,城市電網將會從集中式單向輸出電力,轉變為分散式雙向供電,故此電網需具有自動調度功能,以達到用電與供電平衡。儲能系統在電網中正好擔當著「緩衝」的角色,輔助電網調度電力與提高供電穩定性。

 

  2017年12月,澳洲燃煤電廠跳電造成電力供給異常,位處1,000公里外的特斯拉(Tesla)電池儲能系統,在140毫秒(0.14秒)內輸出100 MW(Megawatt,百萬瓦)電力,為中央電網爭取一定的緩衝時間,讓重啟後的發電廠機組能夠後繼補入電力,維持正常供電,將停電危機化於無形。

 

燃煤或天然氣的常規發電廠屬於集中式發電系統,通常需要把電力進行長距離傳輸。由小型綠電設備所組成的分散式發電系統,發電位置靠近供電區,可避免長程輸電所造成的電力耗損。(圖片來源:Pixabay網站)

 

各家各戶共組電力蓄洪池

 

  假如我們不再完全依賴集中式發電的電廠供電,而是通過分布於各個住宅與社區的綠能發電與儲能設備互相支援,便可組成分散式智慧電網。這些住宅、社區有如城市電網的「電力蓄洪池」,平日自給自足,盡量不依賴市電供給;有需要時,則可提供剩餘電力,支援城市電網的電力調度。

 

  要實現電力蓄洪池自給自足,非要建造綠能自發自用的虛擬電廠不可。相比起以往將家居太陽能發電轉售給中央電網的「躉售模式」,虛擬電廠將綠電直供至社區使用,降低社區對市電的依賴性。這樣不但可透過綠電降低用電高鋒期的電費支出,還可避免因天災意外而引發大停電——遇有突發情況,虛擬電廠便可如同一座真實的發電廠,支援城市電網,為電網運作帶來更大彈性。

 

日本於2016年開放電力市場,吸引不少以綠能掛帥的新興電力公司進場,東京瓦斯正是其中之一。除分散式發電的虛擬電廠外,該公司也有投資興建集中式發電的大型太陽能發電項目。位於群馬縣安中市的太陽能發電廠已於2020年1月投入服務,能夠供給63,000千瓦的綠電。(圖片來源:東京瓦斯官網)

 

住戶只要在屋頂鋪設太陽能發電板,再搭配儲能設備,便可讓住宅變身為虛擬電廠。目前Tesla已拿下不少虛擬電廠訂單,其主要競爭對手包括電池製造商LG化學、以及太陽能產品企業 SolarEdge與Enphase。(圖片來源:Tesla官網)

 

橫濱中小學變綠能供電者

 

  日本新興電力公司東京瓦斯(Tokyo Gas)為橫濱市65間中小學裝設太陽能發電與儲能設備,藉由智慧能源管理系統進行電力調度管理。估計校舍日常運作會用掉20%發電量,剩餘電力則會被輸入至電力蓄洪池,以供晚間和陰天使用。如果電力蓄洪池充飽後尚有剩餘電力,就會供電給橫濱市的社區設施。東京瓦斯評估,整項計劃可每年減少大概1,700公噸的碳排放量。

 

  一旦橫濱市遭逢大停電事故,這65間中小學即可變身社區的虛擬電廠,讓停電期間各項公共設施仍可維持運作。從電網營運角度來看,這些校舍不止是購買市電的顧客,還是有需要時可供緊急調度的供電者。由是觀之,虛擬電廠除有助節能減碳外,還可滿足防災救難的城市韌性(Urban Resilience)要求。

 

  GlobalData指出,虛擬電廠這類併網可再生能源發電廠(Grid-connected Renewable Electricity Generation Plants)在亞太區的數量現正急速增加,主要集中在中國、韓國、澳洲、日本,預計到2025年底這4個國家的總裝機容量將達到20.45 GW。

 

  隨著鋰電池價格不斷降低,讓綠能發電成本亦隨之逐年遞減,有助綠能設備與虛擬電廠方案加快普及。國際能源署(IEA)預估,到2024年綠能將超越煤炭,躍居為世界最大的發電來源,提供全球三分之一的電力。這樣全球碳排放量才可望大幅減低,避免極端天氣或珊瑚礁滅絕等災難性後果。

 

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