當再生能源發電量逐漸成長時,傳統電廠能夠良好搭配嗎?

負批售電價在德國電力市場的角色

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2017年是德國能源轉型進展迅速的一年。在10月底,風能的總發電量已經超過去年加總,再生能源佔發電比例也達到前所未有的歷史新高;與之相對的則是燃煤發電的比例繼續保持2013年以來的下降趨勢。由於入冬以後風能發電可望持續強健,這一個趨勢應該會持續到年底。

造成風能發電如此強健發展的主要原因,便是9月中以來幾個強烈溫帶氣旋帶來的豐沛風場。在10月28日、29日席捲中歐的暴風Herwart,便讓德國的風能瞬間發電量達到新的紀錄,差點突破40GW。

基本觀念說明

  1. 德國的電力市場已經高度自由化且行之有年,底下討論的價格著重於發電者直接售電的批售電價(wholesale price),和消費者所應繳交的零售電價(retailer price)有所差別(但就像其他商品的批售和零售價格一樣,有正相關)。
  2. 由於零邊際成本的特性,以及德國法律的規範,再生能源在電力市場中會被優先出售(即merit order);剩下的電力需求則由傳統電廠(核能、燃煤、燃氣等等)供應。任一時刻中電力需求量(負載,load)扣除再生能源發電量和傳統電廠技術上的最低運轉容量(must run capacity)為殘載(residual load)
  3. 在德國,由於再生能源發電量顯著,殘載變動程度已經成為傳統電廠經營時必須考慮的因素。本文會將個別電廠或整個電力系統良好配合殘載變動的能力定義為殘載彈性。個別傳統電廠的殘載彈性,一般來說燃氣電廠最佳、硬煤機組次之、褐煤機組在其後,而核能最差。
  4. 由於德國電力市場和全歐洲相連,當殘載過低時,傳統電廠的營運者除了降載還有另外一個選項:把電出口到批售電價較高的鄰國。這也是為什麼通常再生能源發電充足時,德國也會有較高的電力淨出口量。

風更強、出口卻不變!殘載彈性的極佳表現

除了歷史性的風能紀錄以外,這次最引人注目的便是傳統電廠展現出來的殘載彈性。由於適逢周末,電力需求大減,不少人原本預期德國的傳統電廠會因為彈性不足,造成德國電力淨出口量大增;然而最後德國電力系統展現高度的殘載彈性,10月27日晚上7點到10月28日凌晨3點這8小時以內,傳統電廠的發電量從原先40GW左右降到20GW左右,到了10月29日甚至有數個小時的時間殘載逼近10GW。相比前一個月月中暴風Sebastian,德國的殘載在28日和29日減少了10GW以上,電力出口量卻沒有顯著差異,讀者是不是也會好奇兩次事件最大的差異在哪裡?

圖片說明:暴風Sebastian和暴風Herwart都讓德國風能的表現搶眼,然而傳統電廠在兩個暴風期間表現的殘載彈性卻天差地別。

由於事隔僅月半有餘,德國目前傳統電廠的殘載彈性表現很明顯地並非技術因素主導。真正影響殘載彈性的,是電力市場的價格。

電廠降載多寡的主要考量:市場價格訊號

這次暴風Herwart席捲德國的期間,讓德國的電力市場產生了今年首度全日平均批售電價(Wholeasle price)為負的情況。批售電價暴跌的誇張程度,亦可以和9月中的暴風Sebastian席捲期間比較。

圖片說明:暴風Sebastian和暴風Herwart襲德期間,批售電價有顯著差異

批售電價的趨勢就是傳統電廠考量降載多寡甚或關機的關鍵因素。如果批售電價只有短暫的跌幅,就算一兩個小時之內出現負電價,考量到升降載和停機所需付出的額外成本以及對於發電效率的影響,維持原來滿載狀況對傳統發電業者損失可能更小;況且,他們依然可以在這些時刻把自己的電力賣到歐洲電力市場上批售價格較高的區域。這造成了傳統電廠殘載彈性沒有充分發揮,而德國在這些情況下電力淨出口也會大增。

圖片說明:歐洲電力市場中各國即時批售電價不盡相同,各國發電業者可以選擇批售電價較高的國家販售電力;第一張圖顯示某一特定時刻各個國家的批售電價,第二張圖則顯示德國在該時刻的電力出口情況(-3.05表示該時刻淨出口3.05GW)。當德國再生能源發電量飆升,燃煤電廠殘載彈性表現卻不佳時,這些電廠依舊能對外出口電力。

不過,只要批售電價低迷的狀況持續夠久(比如這次Herwart席捲中歐時造成的情況),大量降載傳統電廠甚至停機對於業者的損失可能會比較小,因此殘載彈性的表現就會更好。於是便出現了明明風力發電量提高,傳統電廠的供電反而更彈性地搭配的弔詭狀況。

圖片說明:暴風Sebastian襲德期間,德國褐煤機組降載幅度有限(第一張圖);相較之下,暴風Herwart襲德期間,所有運轉中的褐煤機組都大幅降載(第二張圖),甚至八部核能機組也有六部選擇降載(第三張圖)。這些調度方式都再再挑戰了傳統將核煤視為「基載供電」的調度思維。

殘載彈性有極限嗎?

根據Agora今年6月發布的報告,傳統電廠的最小運轉容量極限大約是滿載的25%;因發電類型不同,這個最小運轉容量的極限不太相同。

大部分的狀況下,德國的燃煤電廠目前的殘載彈性表現仍遠高於這個極限;即使個別機組的殘載彈性發揮到極限,仍能讓部分機組停機,使整個電網的殘載彈性反應能力滿足更大比例的升降載需求。因此,當前許多認為德國傳統電廠已經瀕臨升降載技術極限、且因而需要仰賴大量出口來解決供電過剩的論述,並不成立。

在未來,隨著殘載彈性不佳的核能和褐煤機組陸續除役,德國的傳統電廠整體的殘載彈性能力應該能夠提升。然而,較少的傳統電廠可能代表批售電價的增加,因此對於個別傳統電廠來說,市場給予的彈性反應訊號可能就不足。

考慮到殘載彈性是再生能源比例持續提升且化石燃料發電量持續降低的關鍵,德國當前面臨的問題便是如何讓燃氣機組取代硬煤機組做殘載彈性。隨著再生能源發電量逐漸增高、殘載逐漸探底到影響褐煤電廠,問題則會漸漸變成如何讓燃氣機組取代褐煤機組做同樣的功能。

除了市場價格給予的訊號以外,提高彈性不佳的電廠的邊際發電成本也能提供增加殘載彈性的誘因。因此,一個更有減碳效益的歐洲碳交易市場加上最低碳價的設計,應該就能達成以燃氣換硬煤的任務(德國的硬煤電廠燃料早已多仰賴進口、且接受政府補貼而缺乏經濟效益)。以燃氣換褐煤將是較具挑戰的任務,因為涉及到德國國內眾多仰賴褐煤產業鏈的工人和社區的未來,可能需要的是政治上的民主對話和長期規劃;這也是為什麼Agora近日建議政府如同當年訂出廢核時程的做法,召開燃煤共識會議(Kohlekonsenses),以確定德國未來的廢煤時程。

台灣的能源轉型以發展太陽能為優先考量,當其裝置容量達到一定規模時,也有必要開始考慮殘載彈性的問題。雖然此時言之尚早,我們仍可以密切關注能源轉型先進國家在這方面已經達成的成就,和接下來預計的走向。