改變使用習慣和智慧充電對電力系統彈性的正面影響

Tony Yen
Tony Yen
Sep 9 · 8 min read

一直以來,我文章討論的重點似乎都是電力部門本身的轉型。雖然在台灣,仍然有不少相關疑慮,但其實這部分的討論國際上已經相當成熟,我的忠實讀者們也都知道最主要的重點:大力推行再生能源,同時增進電力系統的彈性能力

不過,比較少人著墨的是,能源轉型中後期部門耦合過程中,其他部門的轉型趨勢和適合推行的支持政策。接下來我會寫幾篇文章討論這個主題,首先就從交通部門做起;近日柏林能源轉型智庫Agora Energiewende 和 Verkehrswende的一篇報告《能源轉型下配電網的建置:以電動載具為焦點》就能夠很完整說明交通部門轉型的契機和必要措施。

本文章主要討論的研究:Agora Energiewende跟Vekehrswende的《Verteilnetzausbau für die Energiewende: Elektromobilität im Fokus》。

交通轉型:除了載具電動化、運輸習慣的結構性改變也是根本

在這份報告中,研究者模擬了德國在兩種發展路徑、兩個時間點下交通轉型的進程,總共四種不同的模擬情境。在2030年的兩個情境裡,載具電動化的程度是主要的差異;在2050年的兩個情境裡,是否有運輸習慣的結構性改變則是主要差異。

Agora報告中的四個模擬情境:2030年的兩個情境(左一跟左二)主要差異為載具電動化的比例,2050年兩個情境(右一跟右二)主要差異則是運輸習慣結構性改變的有無(全面性交通轉型將大量減少私人載具的數量)。

所謂運輸習慣的結構性改變,基本上就是假設社會大眾慢慢拋棄「交通一定要用私人載具、開車一定要開自己的車」這個傳統運輸觀念。於是,除了更高比例的人口搭乘大眾運輸以外,私人載具的使用上也朝向載具共享(Car-Sharing)、車程共享(Ride-Sharing)、車程共乘(Ride-Pooling)等等更多元彈性的使用方式,以降低實際上需要在公路網和電網上的載具數量。這樣的結構性改變如果能發生,則德國的電動載具數量能降低1/3,自然電動載具的用電需求也會下降。
(附帶一提,這些新的概念除了有利於電力系統的規劃,還有環境上的正面效果:因為電動車的生命週期碳排等對負面影響在未來幾乎都集中在生產階段,從源頭減少載具數量的情境也因此會有更低的環境衝擊。)

Agora報告中2050年兩個情境,最主要的差異在於「交通轉型」情境(右)中,大眾運輸(ÖV)、共享共乘等等新的運輸習慣成為社會大眾滿足交通需求的主流方式。

智慧充電模式,有助於減少配電網建置需求

除了運輸習慣的結構性改變、根本性地減少電動載具的需求以外,「智慧充電模式」(注)讓載具能即時和電網雙向溝通,並根據配電網即時狀況、在不損及使用品質的條件下做改變充電量,改善電動載具用電需求對配電網可能造成的負面影響。
(注:本報告使用的原文為Gesteuertes Laden,直翻為「受控負載」,本文使用中文讀者較熟悉的詞彙「智慧充電」Smart Charging替代)

智慧充電模式如何提供彈性能力?關鍵在於不同載具的充電模式不同,不會所有的裝置容量都同時必須充電,因此便有空間「削峰填谷」,把殘載較高時的載具負載遞移到殘載較低的時候。當這個負載遞移的空間越大,可調度式充電模式能提供給配電網的彈性能力就越多。

智慧充電模式施行前(上)與施行後(下)對電力系統殘載的影響;可以看到使用智慧充電模式後,電動載具削峰填谷,使殘載尖峰得以下降、殘載的日週期性變動程度也得以減輕。

另外一個更進階的智慧充電模式是計算是一年電動載具的負載歷線之後,取一個適當的負載閥值,使得電動載具的年用電量下降3%(如下圖所示);如此一來也可以大規模遞減低電動載具的尖峰負載。這種進階的智慧充電模式的實際做法,是調度業者在電動載具負載超過設定的閥值時,將所有充電中的可調度電動載具負載降低。

智慧充電模式對於電動載具負載歷線的影響;和沒有引入前相比,引入智慧充電模式後,電動載具的尖峰用電可以下降20%,而若是引入進階智慧充電模式,則可以下降50%。

由於智慧充電模式造成尖峰負載下降等等效果,可以因而減少配電網建設的需要,進而降低轉型進程配電網的投資需求;以轉型中期的兩個情境而論,智慧充電模式能讓配電網的投資需求下降40%到50%。而更進一步在能源轉型後期階段導入進階的智慧充電模式的話,則也能降低配電網投資需求26到28%。

在能源轉型中期導入智慧充電模式,能讓配電網的投資需求下降40%到50%
在能源轉型後期階段導入進階的智慧充電模式的話,則能降低配電網投資需求26到28%

值得留意的是,上述各情境所需要的配電網年投資需求,和德國的歷史紀錄相去不遠。德國在2008年到2018年每年花了24到38億歐元在強化電網的工程上,而研究顯示四個情境的年配電網投資需求落在14到24億歐元。

不同情境下德國配電網投資需求皆和歷史紀錄相若
「由於交通部門電動化會增加用電需求、增加電網使用費的收入,配電網的投資需求應能被分攤」德國能源轉型學者Tow Brown針對這研究配電網投資需求的模擬結果做如此評論。

另外一點就是,智慧充電模式的引入,會減少鄉村地區配電網投資需求的相對佔比,而城市或市郊的配電網投資相對佔比則會提升。這主要是因為鄉間配電設施的土地面積因為新充電模式而下降的幅度最大。

制度與誘因:引入電網紅綠燈、調整併網收費規則…

在知道改變運輸習慣、導入智慧充電模式能夠有效增進交通部門的彈性能力以後,我們當然會進一步問,到底要如何才能讓這樣的交通轉型發生?

針對這個問題,報告提出一個有趣的建議:在配電網系統中導入「電網紅綠燈」的概念。就像道路上的紅綠燈告訴駕駛前方道路上的能否通行,電網紅綠燈會告訴電力調度業者和各個參與者,該地區的配電網出現阻塞風險、調度業者必須物理上實質介入的機率有多高。

如下圖,當電網沒有可預測的阻塞風險時,處在「綠燈」的狀態,此時只需要提供價格誘因,讓供需各方提供必要的彈性能力即可;當電網沒有立即、但有可預測的阻塞風險時,會開始進入「橘燈」的狀態;而當出現立即的阻塞風險時,則進入「紅燈」的狀態,此時調度業者有權利直接對電網上的裝置做出物理性的實質介入。

關於配電網層級的價格誘因,報告則提出至少兩種:第一是調度業者提供給緊急狀況時,願意優先被再調度的電網使用者更低的單位電網使用費;第二則是根據過往再調度需求發生的時段,訂出浮動式單位電網使用費(即配電網版本的時間電價概念)。

結論

由於時空間解析度的要求,載具電動化和配電網層級的轉型工程,一直是轉型路徑研究中比較難詳細討論的部分。透過Agora這份報告我們可以看到,許多今日不存在、甚至有關單位尚未想到過的調度策略,在未來的電力系統只會越來越常見,並協助增進電力系統的彈性能力、減輕能源轉型進程所需的花費。

但這些智慧調度的策略,必須仰賴新一代的通訊設施和電網設施,而這些基礎設施建置後,往往就會使用數十年。因此,與建築部門相似,關於2030甚至2050年交通部門的轉型規劃,很有可能現在的決策者就必須納入考量,不應延宕。

(本文原載於媽媽監督核電廠聯盟粉專上)

能源轉型文摘

這系列文章收錄各種能源轉型最新的學術研究、新聞或文章。

Tony Yen

Written by

Tony Yen

A Taiwanese student who studies in the master program of Renewable Energy Engineering and Management in University of Freiburg.

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