全球電力系統轉型現況2017-2018

國際能源總署:解構「基載」,彈性能力日益重要!

國際能源總署一年一度的全球電力系統轉型現況報告又出爐了!

其實去年起,隨著Advanced Power Plant Flexibility倡議的發起,IEA已經產出不少關於彈性能力的論述。而除了IEA之外,許多重量級智庫機構比如Agora也在一年來積極介紹各種重要概念,希望提供全球能源轉型過程中各種提升電廠彈性能力的技術、市場、政治等方案。這其中很多研究或報告本龜之前也已經做足分享:

不過,本龜還沒有機會認真介紹到IEA這系列電力系統轉型現況的報告過,而它是目前我看到最有系統整理電力系統轉型概念的相關文本。

各種時間尺度的彈性能力

在之前Kombikraftwerk等討論100%再生能源的研究裡,只把電力系統的彈性能力粗分成輔助服務(頻穩、壓穩等等)和殘載平衡兩種方向介紹,在IEA的報告裡輔助服務的彈性反應能力又被區分成次秒級、秒級和分鐘級等時間尺度做討論,而殘載平衡則放在小時級時間尺度中。

另外,相較過去文獻比較強調單日內電力系統的靈活反應,IEA的整理還納入日級以及月級的彈性反應能力。這是因為天氣預報尺度和季節尺度的再生能源電力輸出變異對未來的電力系統的影響會更大,傳統模式的電源規劃也必須因而做出調整。

電力系統轉型的六個階段

去年IEA的一份報告裡面,定義了目前世界各地已經出現的四個電力系統轉型的階段。

國際能源總署原本定義的四個變異型再生能源發展階段
世界各地區電力系統轉型現況

不過,隨著100%再生能源的系統是否可行的論戰日益地受到關注,到底階段四以後會發生甚麼事情,成為各界也非常關心的焦點。

有鑑於此,從上次IEA和IRENA、REN21等能源轉型研究智庫合作產出的報告開始,電力系統的轉型又加上了階段五和階段六。這兩個階段裡,部門耦合(i.e.運輸部門全面電動化)和季節性儲放能變成重要課題。

上面這張表則告訴我們不同階段主要要學習應對的彈性種類。我之前有說過,照目前台灣能源轉型的規劃2025年應該會落在階段三。隨著負殘載在2025-2030左右的冬季開始出現,階段四的一些課題也會慢慢浮現:對於極短時間尺度的頻穩、壓穩有必要開始尋找同步發電機慣性以外的替代方案,否則會陷入過度削減電力輸出的困境裡。

技術面以外的系統彈性能力指標

就像本龜之前討論德國批售電力市場的文章提及的,IEA的報告裡面也強調了電力系統彈性能力除了技術面提升彈性的工具以外,制度面和機構面的因素也會影響系統彈性能力甚鉅。在進入技術面的整理以前,我們可以先看看IEA怎麼討論制度面和機構面的課題。

制度面的彈性指標

  1. 針對技術面的規範,包括對各種系統上硬體性能提出規範的電網法規、電力調度原則、再生能源預報還有碳排規範等等
  2. 經濟上,傳統的長期購電合約降低了可調度電廠彈性調度的誘因,電力市場如果沒有良好獎勵彈性性能也會影響可調度電廠的彈性調度意願。

機構面的彈性指標

機構面討論的是不同業者在電力市場上參與各種彈性反應的程度。

在一些僵硬的電力市場設計底下,某些技術上可以提供更多彈性能力的業者會受到限制。報告中提到了儲能計畫常常被侷限在提供單一服務(例如動態無效電力服務)而因此無法在同一時間提供其他服務(例如經濟考量上的殘載平衡)。而變異型再生能源雖然理論上能夠透過有計畫性降低輸出電力來提供備轉容量服務,市場設計也不一定允許它們這麼操作。這樣子的限制會影響到各種計畫經濟上的可行性。

電廠尺度的彈性能力

「基載」之解構

自REN21去年的全球再生能源現況報告提出「解構基載」的概念以來,傳統以基中尖載分析電力系統不同電廠的方式開始被各大智庫和研究機構重新檢視。

REN21去年的再生能源現況報告中提出「解構基載」

在IEA本次的報告裡,也搭上這波趨勢,出現了類似的討論。在傳統基中尖載模式以外,IEA這次提出了新的電源特性區分方式:energy volume contribution和energy option contribution。

這樣的區分方式是從電力系統的兩個重要指標衍生而來的。首先,一個系統需要在一個較長時間區間內供應足夠的具成本有效性的電力。其次,一個電力系統需要在任一時刻滿足供需平衡。

Energy volume contribution:提供長期低價電力的能力

Energy volume contribution討論供電選項是否滿足第一個重要指標。傳統上,核煤等「基載」電力某種程度滿足了這項指標,但零邊際成本的風能和太陽能等變異型再生能源將在未來的電力系統中會成為Energy volume contribution的主要貢獻來源。

Energy option contribution:滿足任何時刻能源需求的能力

相對的,energy option contribution討論的是電源在任意時刻提供電力的能力。傳統上,開放式燃氣機組應該有最高的energy option contribution,不過像是地熱或生質能未來也有機會角逐這個角色。

"It is worth noting that this approach places power plants according to how they are used in a given power system, rather than what they were technically designed to provide or are theoretically capable of providing."
“…. power plants originally designed to meet baseload that now operate in a more flexible power system with higher shares of VRE may need to provide greater flexibility… “
“Because the classical term of baseload power plant suggests continuous operation around the clock, this name can be misleading in modern power systems. Thus, the new approach to characterise contributions from power plants may be appropriate in modern power systems with higher shares of VRE.”

定義傳統電廠彈性能力的指標

之前我們已經分享過Agora的報告裡,提出了三個電廠重要的彈性指標:啟動時間、最小輸出電力以及升降載速率。

IEA的報告裡又增加了兩個指標:最小併網/解聯時間(Minimum up and down times)。這是因為正常情況下同步發電機要上線後一段時間內不能馬上解聯,解聯後也沒辦法馬上併網。

如何滿足不同彈性要求

從底下的圖可以知道,電力系統大部分時間尺度的彈性要求各種電廠都有機會提供,只有中時間尺度的殘載平衡比較需要energy option型的電廠提供。

在新的分類系統中,Energy Volume型的電廠在中時間尺度的彈性能力較差,但其他情況下仍能提供系統所需的彈性能力

在次秒尺度和秒尺度的彈性能力裡,將傳統電廠改成同步調相機(synchronous condenser)或者改裝成更具彈性能力的電廠,在現階段似乎是大部分的能源轉型先進國家裡認為較符合成本效益的方法。

褐煤電廠改裝後變得較為彈性的例子

在分鐘級的彈性能力裡,越接近即時和滾動式的經濟調度(economic dispatchment)和單位投入(unit commitment)能讓這個時間尺度的彈性能力提升。而如前所述,某些變異型再生能源透過有計畫性降低輸出電力也能提供這個時間尺度的彈性能力。

操作面和管理面提升彈性能力的方法

和台灣某些過度聚焦在技術性能的討論不同,IEA的報告指出:

...it is important to acknowledge that the successful deployment of flexibility depends greatly on operational practices and management culture.

那麼,怎麼樣的操作或管理才能發揮最大的彈性潛能呢?

除了先進的偵測和資料分析模式之外,廠內員工的持續培力也很重要。畢竟,新的調度思維在過去電力系統的教科書裡根本不存在,電力系統的規劃者和各電廠的操作員必須時刻相互溝通,在系統整體的新思維和電廠操作的既有經驗中取得平衡。

報告後段也指出,很多電廠運作者並不知道、或者不認為自己的電廠能進行彈性調度,因此在加強對彈性能力的重視之餘,有必要請業者檢視自己電廠的現況並進行彈性能力的相關測試。

各種電廠彈性能力的潛力

因為上次討論比較多的是燃煤電廠彈性能力的提升,我這裡放燃氣電廠彈性能力提升的一些趨勢。最重要的的趨勢便是複循環燃氣機組(CCGT)開始採取彈性效率(flex-efficiency)的思維進行設計和運作。

"New large CCGT offerings from major manufacturers reflect this, and show a shift away from prioritising greater full-load efficiency towards flexible operation at the maximum possible efficiency. In these flexible designs, efficiency penalties during part-load are modest while capital costs remain roughly identical."
報告介紹的一種減小CCGT啟動時間的方式

另一個未來重要的變化可能在汽電共生上面。Agora已經不僅一次指出,德國電力系統的彈性能力受制於汽電共生中供熱的限制。熱電生產過程的解聯將有助於提升汽電共生電廠的彈性能力;達成的方式包括使用儲熱裝置或者優化產電機組的數量。

從單一硬煤機組換成20座燃氣機組+儲熱水槽後,因燃料改變加上彈性調度減少了70%碳排的案例

至於最近美國擁核派炒很兇的「核能也很彈性」到底是不是真的呢?IEA這篇報告對核能彈性能力算是所有電源中著墨最少的(這似乎已經說明了一切...),完整篇幅甚至可以直接截圖下來。

報告中對核能彈性能力討論的完整篇幅
報告中對各種電源彈性能力整理

系統尺度的彈性能力

如果放大到電力系統整體的彈性能力,在整合個別電廠的彈性能力和潛力以前,更重要的是分析目前和未來電力系統的彈性能力要求。

報告提供的四階段系統彈性能力檢驗

在盤點完成彈性能力的要求以及各電廠潛能以後,電力系統的政策制定者可以使用生產成本模型,盤點各種增進彈性能力的方案的短期經濟可行性。

彈性能力增加之後,會因為頻繁調度使操作管理成本上升;污染物的排放部分,彈性調度會降低發電效率,啟動/關機過程也會有額外排放,必須納入考量。

不過考慮到減少的傳統電廠燃料用量以後,彈性調度的效益還是大於這些成本。底下便是報告提供的一個案例:美國西部變異型再生能源增加後,彈性調度產生的淨經濟與環境效益遠遠超過其成本。

在成本有效性方面,報告指出提升傳統電廠調度彈性是變異型再生能源滲透率在中等程度(超過15%左右)最具成本有效性的選項。在那之前則是需量反應有最高的成本有效性,這和我們之前給的資訊吻合。

在長期下,也必須納入其他種類的模型,甚至混合運用並滾動式檢討。

IEA針對2036年泰國電力系統有無改良傳統電廠最小電力輸出做的情境分析

結語

很明顯地,這份報告實在太完整充實,我並沒有辦法把所有內容都放上來。雖然內文充滿瑣碎細節,總地來說它很多論點再次印證我們對於IEA這幾年關注主題漸漸改變的觀察。

過去那個持續低估再生能源成長量的IEA應該還是存在於它其他部門的研究(例如核能)當中,但隨著再生能源發展越來越迅速,強調彈性能力的研究在這些傳統能源智庫的腳色和聲量將會越來越重要。

而報告裡面我們也看到許多技術面以外,市場、政策、管理、甚至思維面的討論,就如同我這一年來不斷強調的,能源轉型中這些面相的改革也和技術面的變革同等重要,必須一起處理。