傳統發電方式如何彈性反映殘載變化

一般咸認,當前台灣能源轉型最重要的任務是極力發展再生能源。不過當再生能源佔電力超過20%以後,比例若要再持續提高,傳統電廠的彈性將是一大關鍵;台灣正在興建、更新各個燃煤電廠這方面的考量,長遠來說比再生能源裝置容量的提升更重要。

因此,我要來分享Agora六月初發佈的這篇《Flexibility in Thermal Power Plants》,它大致上說明了傳統電廠技術上要如何更彈性反映殘載變化,以及這些技術對經濟和碳排的影響,是非常完整且重要的教材。

當然,殘載反應(residue load matching)並不只是技術上提升傳統電廠的性能就能解決的事情,還有一些電力調度制度上要改變的地方。台灣的情況是還不確定傳統電廠未來是會完全民營、地方公營還是國營;我會在文末簡單比較不同情境下,怎麼樣設計制度讓殘載反應能加強電力系統的穩定度同時也容納更多再生能源。

三個決定傳統電廠彈性的參數

由於核能機組無法做到常態性的殘載反應,因此報告書主要是比較燃氣機組、硬煤機組和褐煤機組的各個特性。台灣的現況是持續將燃煤電廠換成最新型的硬煤機組,讀者可以多留意報告中最新技術下硬煤機組的各種參數。

傳統電廠的「彈性」其實是由三個參數來決定的:最小運轉容量(minimum load)、升降載速率(ramp rate)、啟動時間(start up time)。最小運轉容量是指機組能穩定運轉的前提下最低的發電功率。升降載速率則是一個機組改變發電功率的速度。啟動時間則是一個機組從剛啟動一直到發電功率提升至最小運轉容量時所需要的時間,會因距離上一次關機的時間長短而有所不同。

下圖是報告中對於燃氣機組、硬煤機組和褐煤機組三個參數的比較。可以看到,最新技術下硬煤機組的最小運轉容量可以達到滿載的25%、升降載速率可以達到每分鐘增減滿載的6%容量、在關機48小時內(熱啟動,hot start-up)的啟動時間可以壓縮到80分鐘。當然這和開放循環式燃氣機組(OCGT)或複合循環式燃氣機組(CCGT)相比還是不夠彈性,這也是為什麼過去「基載」思維主導電力調度時,燃煤機組在一日的運轉中幾乎不會改變其發電量。

決定傳統電廠彈性的主要技術限制

在報告書中有很詳細的描述,這邊簡單各個參數技術上主要限制為何,以及報告中提及的解決方式。

最小運轉容量主要的限制在於燃燒穩定性(fire stability)。過去的機組在運轉容量較低時,也必須降低煤粉的運輸速率,這讓鍋爐燃燒過程變得不穩定而無法順利供電。報告中提到的解決方法之一是提供煤粉存庫,讓煤粉運輸速率保持不變的情況下減少煤粉進入鍋爐的速率,因而可以降低整個系統的輸出功率。這個改良技術被稱為間接供火(indirect firing),它同時也能提升升降載速率。

升降載速率和啟動時間主要的技術限制在於熱應力(thermal stress)。升降載時,鍋爐壁上材質熱脹冷縮的程度會因為溫差而有所不同,產生相對應的熱應力;如果此應力過大,便有損害鍋爐結構、減短鍋爐壽命的可能(雖然減短壽命本身倒也不一定是件壞事,報告中有提及許多德國燃煤機組預期除役期程不遠,所以寧願以可使用年限為代價來做升降載)。報告中提到的解決方法包括改良機組材料,降低設計厚度。

傳統電廠彈性調度對於效率、經濟和碳排的影響

彈性調度傳統電廠對效率的影響,主要發生在降載發電時。降載發電代表鍋爐燃燒溫度較小,因此機組的理想效率自然會降低。報告中提及,從滿載下降20%的功率,效率可以下降2%到5%。在報告的第五章比較不同運轉情境下的碳排時,假設一個600MW的硬煤機組的滿載效率為40%,降載至最小運轉容量(150MW)時效率下降至31%。

報告中對於經濟和碳排的影響都是針對單一機組的微觀比較,而非巨觀整個電力系統的討論。傳統電廠在面臨電價訊號時,有兩種選項可供選擇:其一是降載,其二是關機。報告中經過精算,發現在一組假想的電價波動中,改善電廠彈性大幅增加了電廠的邊際利潤,但在關機又重新啟動的情境下,改善彈性反而會增加電廠的碳排(這是因為啟動時間降低後,燃煤機組可以發電的時間因而增加)。因此報告建議電力市場必須提供適當的減碳誘因以確保電廠採取碳排最低的方式運作。

台灣傳統電廠未來可能的走向,與對調度的影響

這篇報告是立基在高度自由化的市場下討論傳統電廠彈性調度。這裡提供三個不一樣的情境,是台灣電業法修完之後也有可能演變的方向。

情境一:傳統火力電廠經營權和台電拆開,但維持國營

在這個情境下,新的國營火力公司面臨政府制定的電力碳排係數規範,因此必須在一定碳排限制下對自己的燃氣機組和燃煤機組的發電比例做調配。不過新的國營火力公司依然很有可能會強調過多的再生能源影響他們的運作,並且在電力碳排係數上做角力。傳統電廠彈性調度只有在良好配合再生能源供電特性下(殘載反應)才有最好的減碳效益,因此這樣的事態發展必須留意。

情境二:傳統火力電廠經營權和台電拆開,不同電廠回歸地方公營

這個情境下,各個地方政府有更高的能源政策自主權,並且在減碳方針上有更高的自主權。這個情境下對於燃氣和燃煤電廠的發電配比可能會有更好的調度方式;不過在輸配電網仍然由台電掌握的情況下,各地方公營電力公司仍需要協商出各自分攤的備用容量和平衡電網義務。另一方面,各地方政府對於再生能源的態度也會影響該區域殘載反應的狀況。亦即,中央仍然需要制定出全國性的能源政策綱領,確保再生能源最大比例地優先併網供電。

情境三:傳統火力電廠經營權和台電拆開,大部分成為民營

這個情境最類似報告書討論的情況。其實以德國之大,也是由四大電力公司寡斷傳統發電,我們可以預期台灣的傳統電廠真的民營化也會落入類似的狀況。這些民營電力事業針對再生能源的台詞和議題操作方式不會比目前台電的態度友善多少。

不管是哪個情境,碳稅、電力碳排係數等等機制,都是確保傳統電廠彈性調度能夠符合減碳目的的關鍵。