別再說德國都靠法國核電了!

歐洲電網跨境進出口問題之再釋疑

近來擁核公投在台灣越演越烈,不斷有基載至上的論者,以德國和鄰國之電力進出口,試圖論證其所慣用的基載三段論,並否定大量風光併網在台灣的可行性。對於這樣子論述的謬誤,我過去已多所說明,近日公投前再做一次完整闡明,以利國人更了解歐洲電網跨境進出口的真實情況。

一、物理流不代表電力市場的實際交易結果

首先,部分擁核者不斷提供德法「物理流」(Physic Flow)之情況,得出德國必須仰賴法國核電之結論。然而物理流僅僅描述各國跨境輸電線的電流方向,並不代表各國間實際批售電力隻交易情況。德國地處歐陸中心,法國出口給其他國家的電力交易,有時必須假德國電網才能進行。

描述各國彼此實際批售電力進出口交易情況的是「商業流」(Commercial Flow);在大部分的情況下(尤其用電尖峰、太陽能電力輸出能力高的中午時段),德國都是對各國出口商業流。然而因為前述地緣關係,德法跨境物理流和商業流常常呈現不一致的情況。

2018年1月3日下午兩點,德國與鄰近國家跨境商業流(左)以及物理流(右)之情況。在該時刻德國自法國輸入物理流,然而實際上德國在該時刻是向法國出口電力。

二、跨境進出口減輕基載面臨之壓力,讓過剩核煤機組得以苟延殘喘

其次,另一部分擁核者亦從德國進出口的情況,從相反的方向攻擊,認為德國再生能源太多,並據而得出大量再生能源併網必然導致需要跨境進出口之結論。這樣的推論忽略了批售電力之進出口在歐洲電網早已是行之有年的頻繁行為;即使核電佔比非常高的法國,亦會在清晨用電低谷、批售電價相對較低的時候透過出口電力,消化國內過剩的核能基載。

法國一日之供電曲線情況;可以看到法國在清晨用電低谷時出口較多電力,晚間七點用電尖峰時則幾乎不再出口。由此可以看出,法國電網亦利用跨國進出口做電網的彈性調度。

無庸置疑,大電網的存在,提供了系統在大量再生能源併網時,一個額外的彈性選項。然而我們要問的是,究竟大電網提供的彈性能力,是由各國的哪些傳統機組來提供的?

答案十分明顯,所謂的電力進出口,其實就是各國國內批售電力市場的競價順位曲線中的邊際供電者在提供的。而這些邊際供電者,必定是一國國內邊際成本較高、但彈性能力較好的傳統電廠,而這通常指的就是燃氣機組。

兩國進行市場藕合(Market Coupling)、決定電力進出口量以後,影響到並據而改變供電量的只有兩國的邊際供電者,而此通常為一國國內的燃氣機組。

繼續以法國電力系統為例,我們可以在下兩張圖中看到,核能機組由於技術特性,加上慣常性地居於競價順位的左端,一日的電力輸出變動不大;相反地,真正反應系統殘載(Residual Load)變動並根據跨國電力進出口做電力輸出調節的,其實是系統中的燃氣和水力等彈性能力較佳的機組。

法國核能機組的一日電力輸出曲線。可以看出其電力輸出僅在43.5到44.7GW左右變動,幅度非常小。
法國同一天燃氣機組的電力輸出曲線。相較於核能,可以明顯看出燃氣負擔了更多殘載變動所產生的彈性能力要求。

一般而言,當鄰國有大量廉價批售電力時,一國的燃氣機組便降載以容納其進口至國內的電力,而當自己國內產生大量廉價批售電力時,除了本國的燃氣機組做大幅降載、甚至停機,鄰國的燃氣機組也會降載,以釋出出口的空間。

因此,我們可以將整個歐洲電網的電力進出口,視為歐洲各國互助分享彼此國內彈性能力的一種措施。這樣的互助方式,可以有效降低各國提升各自系統彈性能力的成本,卻絕非大量再生能源併網的必要條件。

歐陸諸國於2018年12月8日之可變型再生能源電力輸出曲線。
歐陸諸國於2018年12月8日之核能、褐煤電力輸出曲線。顯而易見,他們沒有對應殘載需求,做出任何彈性反應。隨著歐陸再生能源裝置容量日益增加,這樣非彈性的調度模式將造成更大的問題。
歐陸諸國於2018年12月8日之燃氣、水力電力輸出曲線。這些才是反應殘載變動造成的彈性需求的主要機組。

一個孤島電網,沒有鄰近國家彈性傳統機組的支援,因此在能源轉型過程中,勢必得更快地改變自己的傳統電廠結構,汰換掉老舊而無彈性的核煤機組。

由此我們得到一個和基載至上的擁核論者完全相反的結論:正是因為德國和鄰國有電力進出口,它境內的核煤機組才能繼續維持滿載的基載調度模式;否則,系統上的許多非彈性傳統機組應該早已被彈性機組所取代

這樣的論述,恰是台灣能源轉型中,以氣易煤的關鍵因素之一。
根據Fraunhofer在2009年的報告,進出口和抽蓄讓「基載型電廠」在電力系統的最適配比得以保持近半。沒有這些措施下,德國2020年的基載型電廠理論上會只剩下不到30%。

三、負批售電價乃核煤等傳統電廠所標出,象徵系統中非彈性機組過多,必須增強系統彈性能力

德國自2008年以來日益頻繁的「負批售電價」現象,則是部分擁核者試圖論證第二點時之舉例。然而「負批售電價」之所以形成的根本原因,在於部分傳統電廠知道自己只有標出負的價格,才有機會在特定時段繼續運轉供電。

為什麼這些傳統電廠寧可標出必然賠錢的價格,也不願意暫時停機?可能原因有很多,但最主要的原因要不技術上無法做到極短時間內大幅升降載,要不關機的損失會比標出負電價更多。

AgoraEnergiewende晚近一份報告《A Word on Flexibility》中,對於負批售電價的解釋和增進系統彈性能力的建議。

因此我們便可以知道,負批售電價背後象徵的是電力系統仍然不夠彈性

而解決系統不夠彈性的方式有二:第一是給與誘因讓既有傳統電廠增加彈性能力(負批售電價便是其中一種經濟誘因),第二是調整傳統電廠結構,讓系統中彈性能力較佳的機組佔比增加。兩種策略要怎麼搭配使用,我前文恰有述及

針對這個議題我必須提醒:任何因為負批售電價或者其他原因而推導出「再生能源佔太多」的結論,都是本末倒置的;能源轉型的根本目標之一就是提升電力系統的再生能源比例(至於為何這是根本目標,早已有諸多論述),我們不能把目標當成限制而不思可行解方。

四、德國的鄰居並沒有抗拒跨境進出口;更高度的電網整合乃是歐盟各國努力的方向

也是從第二個論點出發,亦有一部分擁核者試圖以早先德波邊境加裝「相位調節器」(Phase Shifting Transformer)的政策,論證各國對於跨國進出口有所抗拒,以塑造德國以鄰為壑的假象。

但是從前面的說明讀者應該早已理解,跨國進出口對於兩國都是有利的:電力進口國得以避免邊際發電成本較高的發電廠的電力輸出,電力出口國的供電者則能出售更多電力,增加盈餘。因此,歐盟境內的電網發展大方向就是增加彼此的整合程度,這點毫無爭議。

那麼東歐諸國向德國抗議、要求加裝此一「相位調節器」的真正原因為何?主要原因在於,德奧在今年10月初以前,同屬一批售電力交易區,然而實際上德國境內的邊際發電成本往往比奧地利低,因此德國會有大量往奧地利的商業流,此時德國輸電業者便會假波蘭等國的輸電網輸電,因此產生大量對東歐之物理流。

然而這樣子的現象,可能會產生不必要之迴流(loop flow),進而阻礙到德國和東歐諸國正常商業流的運作,因此德國的輸電業者便在德國邊境加裝了三個相位調節器,確保德北輸往奧地利的商業流,物理上能盡量直接從德國送達奧地利。

此一措施絕非波蘭等東歐諸國不希望繼續和德國做電力進出口;事實上,同前所述,此項措施一個主要目的便是能增加德波之間的有效輸電能力(Net Transmission Capacity)

另外,除了硬體設施上的改良,10月初德奧批售電力市場的分離,則是從制度面解決這個問題的嘗試。這也告訴我們能源轉型過程中,除了硬體設施的改善以外,良好的制度設計也同等重要

五、歐洲各國能源轉型進程中,維持電力品質的措施與努力,值得借鏡,不因為台灣為孤島電網而沒有參考價值

最後,有些擁核論者從系統穩地性的角度,提出沒有大電網,大量再生能源便無法在確保電力品質穩定無虞的情況下併網。此一論點自然是要否定德國、丹麥等國之電網在能源轉型過程中電力品質依然在歐盟中名列前茅所能帶給台灣的啟示。

目前早有一些可預測變動型再生能源滲透率極高的孤島電網,譬如夏威夷諸島,亦沒有因此發生電力品質穩定性的問題。這樣的反例已經直接說明了擁核者這種論點的錯誤。

自然,良好的電網整合對電力品質穩定性有正面幫助。不過,如果深究歐洲電網對各國電力品質穩定性的貢獻,其實主要還是初級控制或更短時間的頻率穩定作用(比如電力系統慣性),而這只有同步電網中的各控制區域得以受惠。在這部分,沒有和歐陸保持頻率同步的英國和愛爾蘭等孤島,仍能在高可預測變動型再生能源滲透率下,持續維持電力系統之穩定性。

至於次級或者更高層級的輔助服務,目前仍必須由各控制區域內的輸電業者自行處理。因此,就算和歐洲大電網相連,德國的輸電業者仍必須滿足境內的備轉容量和系統最低必載(system must run)等等需求;而此需求之計算,排除了鄰國支援的潛在貢獻。

目前歐洲的電力業者確實有在討論,在計算各控制區域系統最低必載時能否更真實地納入鄰國支援的貢獻,以降低此一運轉容量需求,提升可預測變動型再生能源之滲透率。同時學界更有另一波研究,開始模擬再生能源本身提供各種輔助服務的情況下,對於系統最低必載降低的程度。

然而這些畢竟都是未來式,而截至目前為止歐洲能源轉型先進國家對電力品質穩定性的相關技術和制度面改良,本身就足夠台灣人之借鑑。

結論:拋棄基載至上、擁抱彈性優先的轉型時刻已經來臨

本文提出的絕大部份之論點,很多是我這一年半以來早已不斷提出並做說明之觀念。今適逢第16號「反對非核家園」公投案,紛擾社會甚巨,特此再次整理,以正視聽。

由文章前述幾點可見,「基載至上」論者先驗式地將非彈性機組視為電力系統中不可或缺的一部份,造成了他們難以解釋當前全球電力系統轉型過程的諸多現象,進而以錯誤的方式理解甚或造謠,以試圖否認這些趨勢。

我由衷盼望國人能夠正確理解電力系統轉型的重要性,並在這次公投案中,透過投下不同意票,遏止這些基載謬誤(baseload fallacy),並且讓台灣得以走向「彈性優先」的正途。