其他

智慧電網也要配合天氣

新的電網規劃必須考慮天氣變化、分析巨量天氣資料,適當建置電廠與輸電線路,再生能源才有機會成為發電主力。

撰文/費爾雷(Peter Fairley)
翻譯/甘錫安
2018-09

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智慧電網也要配合天氣

新的電網規劃必須考慮天氣變化、分析巨量天氣資料,適當建置電廠與輸電線路,再生能源才有機會成為發電主力。

撰文/費爾雷(Peter Fairley)
翻譯/甘錫安
2018-09


美國太平洋西北部哥倫比亞河峽谷掀起的風力發電熱潮,不僅是再生能源的成功案例,但也是值得警惕的事件。峽谷中設置了數千組風力渦輪機,為200萬~300萬用戶提供電力。然而,美國俄勒岡州邦尼維能源管理局的區域電網管理人員,卻經常因為這種無碳能源而頭痛不已。不斷變化的天氣,常使得通過渦輪機葉片的風改變方向,造成發電情況起伏極大。宛如溪流中一顆大石頭的胡德山,矗立在峽谷一側把風分流,使情況更加惡化;岔開的風在峽谷的風力發電場中流竄,使電力輸出忽高忽低。對邦尼維能源管理局來說,這好比一座核能電廠以電燈開關來切換控制,電力供應經常波動。


每年春天管理電網加倍困難,那時美國西北部多數水力發電廠的發電量暴增:融化的雪水流入水壩,因此發電機必須全速運轉。美國俄勒岡州波特蘭市的能源顧問夏普(Justin Sharp)指出,讓水通過水壩卻沒有發電,不僅浪費寶貴的能源,也使河水含有過多空氣,導致在河中產卵的鮭魚出現「減壓症狀」、甚至死亡。所以邦尼維能源管理局有時會關閉風力發電場,平白浪費再生能源。


夏普相當了解這個狀況,因為他協助建造了這座風力發電場。他以當地豐沛的風能為研究主題,取得氣象學博士學位後,在伊倍爾佐拉再生能源公司(現為阿凡格里德再生能源公司)工作了七年,以風力渦輪機開發風能,供應電力給邦尼維能源管理局所管理的電網。夏普表示,研發人員的目標是每年以最低成本取得最大電力輸出,邦尼維能源管理局也擴建輸電線路,使電力傳輸更順利。但夏普認為所有人都忽略了天氣和氣候的變化,他說:「我們建造風力發電場時,是否評估過這類變化?沒有。我們現在會評估嗎?不會。這是否影響電力系統和電力公司管理豐沛風能的措施?當然會,而且影響很大。」


夏普和許多專家經常提到這件事,他們推論,打算改用無碳能源的美國各州、各城市和企業遲早會嚐到苦果。如果電網業者忽視天氣變化的影響,電網的效能將越來越不穩定。夏普說:「我們現在就像把再生能源的方形木樁硬塞進現有電力系統的圓孔,我認為這將造成嚴重問題。」


我們必須依據氣象學來鋪設長距離輸電線路,採用可因應天氣變化的智慧電網。這類系統可在北美大量輸送再生能源產生的電力,無論任何天氣情況,都能符合供電需求。例如,當美國中西部缺少風力時,哥倫比亞河峽谷中大量的風能可為明尼亞波利斯市繼續供應電力,反之亦然。管理各種發電方式的工業協會能源系統整合集團的執行董事史密斯(Charlie Smith)說:「我們還沒有達到這些目標。」


天氣變數多


美國能源部國家再生能源實驗室(NREL)電網系統分析小組的布魯姆(Aaron Bloom)表示,平心而論,一般規劃電網時的確會考慮天氣因素,但方法粗糙。熱浪和寒流常使區域電網負載過大,典型方案是在極端天氣狀況下確保電力系統能順利供電。布魯姆表示,但風力和太陽能電廠的規模快速擴大,研發人員不得不大幅改變電網的措施來因應天氣。與傳統燃煤、天然氣和核能的發電機不同,風力渦輪機和太陽能板極易受天氣影響,因此成了供電的最大變數。


德州和加州是這項挑戰的最佳案例:德州風力發電量居全美之冠,超過20吉瓦(GW)。但風力在夜間最強,造成發電量過多,電力公司反而要付錢請用電大戶消耗電力。這聽起來相當荒謬,但關閉風力渦輪機,平白浪費電力的損失可能更多。


加州風力豐沛,太陽能電廠和屋頂太陽能板設置率卻是全美最高。日出時,太陽能板會產生大量電力,有時甚至超出電網所需,但用戶在夜間需要大量電力時,供電又顯得不足。其他州甚難協助加州。新世代能源專案開發公司專注於再生能源,該公司副總裁阿爾史托姆(Mark Ahlstrom)說:「加州南北狹長,對每片太陽能板來說,日出和日落時間幾乎相同。」而且,三年前一次極端天氣現象擾亂了這兩個州的風電供應;當時異常穩定的高氣壓籠罩美國西岸,使風力降到歷史新低並長達數個月。


其他州能夠提供的協助相當有限,因為全美電網分成三大獨立區域,各區域必須自行處理天氣問題。東部聯網(Eastern Interconnection)和西部聯網(Western Interconnection)的供電範圍涵蓋美國和加拿大的大部份地區以及墨西哥的一部份,但兩大交流電網極少互相調度電力,與擁有獨立交流電網的德州更少進行調度。


再生能源衍生的問題可能會越來越多,許多用戶尚不知情,因為大型風力渦輪機和太陽能板產生的電力只佔全美總發電量的7.6%。電網營運商現在仍有數千座傳統電廠可調度電力,解決電力供應不穩定的問題。但再生能源的供電比率越來越高,例如加州政府要求再生能源在2030年前必須達到50%(不含大型水力發電廠),夏威夷最快可在2040年達到100%。美國目前只有少數電力公司和輸電線路建造商著手規劃依天氣調節的電網,解決風力和太陽能供電比率大幅提升時發生的問題,但也有越來越多的工具可因應新挑戰。


利用巨量天氣資料


布魯姆率領的NREL研究團隊和多位專家例如愛荷華州立大學的麥卡利(James McCalley)正進行一項重要研究,評估東西部聯網增加電力調度的效益。聯網結合研究(Interconnections Seam Study)率先採用空間和時間解析度極高的風能和太陽能最新資料,產出的模擬結果更精確。NREL的資料以每五分鐘為間隔,提供全美整年的天氣和能源流量資訊,並以每兩平方公里繪製風力分佈圖和以每四平方公里繪製太陽能分佈圖,這些詳細資料是了解哥倫比亞河峽谷等複雜地形中風力變化的重要依據。此外,NREL也可藉由預測各海拔的風速,選擇適合不同地點的風力渦輪機技術。集眾人智慧產生的模擬結果,我們可了解如何在2040年之前把美國(不包括德州)的再生能源供電比率既經濟又穩定地提高到超過54%,這比目前高出很多。


模擬結果消除了東西部聯網的分界,方法是沿兩區域邊界鋪設數條大容量直流輸電線把兩者結合起來,或者透過從美國西岸到中西部的長距離直流輸電線,加上由路易斯安那州至弗羅里達州的主輸電線路,結合東西部聯網。直流電在長距離輸電的損耗遠少於交流電,因此採用直流輸電線較經濟。根據NREL的模型,研究人員可計算出輸電線路該承載多少電力,以及建造新發電機的地點,讓改良後的輸電系統能充份發揮功用。


這些模型為「智慧天氣最佳化系統」提供了許多機會,例如在更多地點建造多種風力渦輪機和太陽能板,而非如同現今集中設置在少數風能或太陽能特別充沛的地區。NREL的能源建模人員布林克曼(Greg Brinkman)表示,這麼做將可穩定利用再生能源,而不需要如此依賴傳統電廠的儲電量。他說:「多樣化是規劃此系統的原則。」


NREL的模型建立方式相當複雜精密,凸顯智慧天氣系統長久以來面對的挑戰。舉例來說,麥卡利簡化了一些模擬程序,減少每次模擬所運算的時間,但是也需要6~7天。此外,把再生能源發電機分配至特定地點時,採用簡化的時間和空間資訊,而不採取每五分鐘的間隔和每四平方公里的精確度。


NREL研究團隊也預先設定直流輸電線的起點和終點,以避免布魯姆所謂「數學上難處理」的計算過程。結果,該模型不一定能讓發電機和輸電線路同時達到最佳化。不過NREL的初步結果仍顯示,長距離直流輸電線每年可減少燃煤和天然氣的費用,省下38億美元,超過建置成本的三倍。不過如果直流輸電線配置得當,每公里可省下更多錢,更可減少碳排放量。


歐洲希望在2040年可用再生能源穩定供電,為了重新規劃歐洲電網所建立的模型,顯示NREL的模擬結果可能無法完全發揮再生能源的潛力。位於比利時布魯塞爾的歐洲輸電調度中心協會(ENTSO-E)在2030年電網模型中添加風力、太陽能和其他再生能源的發電機,把再生能源的供電比率大幅提高到75%。該協會的專家進一步擴增各國間的聯網,紓解季節電力瓶頸。最後,他們重新調整發電機的配置,讓重新規劃的電網充份發揮潛力。根據反覆最佳化的過程,在2040年電網模型中,再生能源供電比率大幅提高到超過80%。


更好的演算法?


一位獨立研究人員宣稱,他能結合所有模型的技術,發掘出更多天氣資料的價值。克拉克(Christopher Clack)是電網模型建立和電力需求預測機構「活力新能源公司」(Vibrant Clean Energy)的執行長,該公司位於美國科羅拉多州。他在美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)工作了四年,開發出先進的天氣電網演算法。他於2016年推出商用軟體WIS:dom。


克拉克表示,WIS:dom和NREL都採用高解析度天氣資料,但運作方式不同,WIS:dom能為再生能源創造出更多機會。近年他分析美國大型電網並提出一套電力系統:再生能源在2040年可提供62%的發電量,比NREL最近的預測多出20%。該電網的電價也比目前便宜10%。克拉克表示,如果把省下的錢用來開發輸電系統,他的模型可提高再生能源的供電比率到67%,而且在2040年之前就能完成。


克拉克表示,WIS:dom能更有效利用天氣資料,因為該軟體與NREL不同,不需預先設定輸電線路的起訖點,可同時讓電廠和輸電系統達到最佳化,尤其是長距離直流輸電線。這套模型也納入全美再生能源發電機的每小時資料,進一步平衡偏遠地區的風能和太陽能。舉例來說,我們能透過WIS:dom知道,德州夜間增強的風力何時可補足美國東岸沿海夜間減弱的風力。克拉克說:「每個地區都能在不同時間協助其他地區。」麥卡利也承認NREL的模型有其限制,在這方面可能不足,但他也質疑簡化模型是否造成這麼大的差別。


克拉克表示,他的模型「只需要」運算兩天,就能產出更優異的電網模擬結果。專家指出,克拉克的整合模型或許是智慧天氣系統的重大突破。阿爾史托姆表示:「克拉克已經使系統的精確度更上一層樓。」


然而,WIS:dom仍然欠缺驗證。阿爾史托姆、布魯姆和其他專家都想進一步了解克拉克研發的模型如何運作,以驗證可靠度。布魯姆表示:「克拉克很聰明,他所研發的模型很棒,只是我不清楚他是怎麼辦到的。」克拉克似乎不太可能透露細節,畢竟他要把軟體的模擬結果賣給能源公司,並建議地區電網業者和輸電線路建造商該把數十億美元投資在什麼地方。


政治阻礙


夏普和史密斯這些能源研究人員正嘗試讓電力公司和美國氣象學會等機構認真看待智慧天氣系統,他們還指出政府首長和業界領袖應該支持直流輸電線。美國各州的再生能源政策鼓勵電力公司鋪設交流輸電線來輸送風能和太陽能,但是與歐洲、中國和其他國家一樣,美國只有少數機構打算鋪設長距離直流輸電線,讓各區域互相調度電力。


許多人對輸電線抱持「別建在我家旁邊」的態度,而這只是問題之一;另外,為了解決電網問題,公共事業轉而投資「非線路」方案,例如儲電裝置。在需要電力的地方,設置龐大又昂貴的電池以儲存過剩電力(例如德州夜間強風產生的電力),供無風的陰天使用。但如果遭遇2015年美國西部「風旱」這類極端天氣,電池的功效可能不大。夏普說:「我們不可能收集太陽能板在夏天產生的所有電力,儲存在電池供冬天使用。」


對長距離直流電聯網而言,爭奪區域主導權可能是更大的障礙。地方和州政府官員經常阻撓大容量直流輸電線送來低價電力,以保護州內電力公司的利益。NREL的直流電網研究團隊主持人奧茲柏恩(Dale Osborn)在推行大容量直流輸電線上嚐到苦果。奧茲柏恩去年從美國中部電力調度中心退休,之前是美國電力產業中直流電網的主要支持者,該中心負責管理美國15個州和加拿大曼尼托巴省共有的輸電線路和電力市場。根據NREL分析,電力系統如果能由美國華盛頓州調度電力到弗羅里達州,所需的電廠數量較少。這種方式雖然降低成本,但奧茲柏恩感到惋惜:「很多人只顧私利,不希望發電成本降低,而是希望自己的發電方式越貴越好。」


克拉克指出,高電壓直流電(HVDC)輸電線在美國前景不佳,客戶常要求他在評估研究中刪去HVDC;WIS:dom不得不轉而採用距離較短、數量較多的交流輸電線。克拉克說:「多數人認為長距離HVDC行不通而拒絕採用。」至少在短期內長距離HVDC不會起作用。但他提到,可惜的是當他放棄直流輸電線時,成本維持不變,因為傳統電廠的數量增多,碳排放總量僅減少一半。


美國政府本來可協助打破僵局。歐巴馬政府的能源部長莫尼茲(Ernest Moniz)曾行使法定權力來徵收土地,鋪設對美國相當重要的直流輸電線。那次行動希望把過剩的風能從俄克拉荷馬州輸送到美國的中南部和東南部,但倡議組織乾淨線路能源夥伴(Clean Line Energy Partners)那幾年不甚積極,而且竟然推動幾項不受支持的計畫,那類計畫於美國中西部因地方和州政府反對而停擺。


美國總統川普執政後,這類輸電計畫推動起來更加困難。美國能源部長裴利(Rick Perry)一心保護燃煤發電廠的利益,主張增加發電廠的內燃煤庫存可使電網容易「撐過」極端天氣。但專家指出,煤堆在寒流時可能結冰,熱帶風暴侵襲時則會淹水,導致發電廠停擺。反觀極端天氣經常形成大氣壓力梯度,帶動風力渦輪機運轉,晴朗的天空也提高太陽能電力輸出。根據觀察,夏普指出:「美國有些地方在極端天氣下依然擁有穩定輸出的再生能源。」


前提是,必須擁有可根據天氣狀況調整的智慧電網來輸送這些電力。