能源轉型需要多少儲能設備?其實沒有很多!

儲能X彈性X需量反應X適當削減出力X部門耦合,確保再生能源併網的成本有效性!

我們為什麼認為這份研究重要

  1. 這份研究指出能源轉型過程中,即使可變型再生能源達到很高的佔比,只要允許有限度地削減電力輸出,電力系統的儲能設備需求可以維持在極小的量值內。
  2. 這份研究使用了殘載歷線這樣的觀念進行相關研究與分析,這將是未來討論電系統時越來越常見的做法。
  3. 這份研究給出了一個成本有效性模型,定量分析在特定再生能源佔比下,何種儲能-削減出力的組合能帶來最小的系統總成本。要求出此最佳解,必須同時給出再生能源、儲能設備以及傳統電廠最佳的投資組合;這是在當前台灣爭論深澳燃煤電廠的必要性時可以嘗試採取的分析思維。
  4. 這份研究也簡單討論了彈性部門耦合對電力系統的影響,並且說明適當的部門耦合下電力系統的儲能設備需求和削減出力比率為何得以降低

在能源轉型的相關討論當中,我們常常看到「想要發展再生能源就必須要建置很多儲能設備」的論述。這樣的說法大約可以化約成如下的「儲能三段論」:

一、提高再生能源的佔比需要很多儲能設備
二、這些儲能設備非常昂貴
三、所以,能源轉型並不可行

已經有許多文章針對儲能三段論中第二點做出回應。不過,這個三段論的第一點其實也是過於想當然爾。最近一篇德國經濟研究院(Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung,DIW)幾位研究員共同撰寫的投稿研究裡,就把討論焦點放在儲能三段論中的第一點。究竟他們怎麼回應這個一直不斷被懷疑派提出的質疑呢?

本文要討論的研究:On the economics of electrical storage for variable renewable energy sources

能源轉型先進區域並沒有大量儲能設備

這篇研究指出目前可變型再生能源(Variable Renewables,風能或太陽能等受天候影響之再生能源)佔比極高的國家,如丹麥、愛爾蘭、西班牙等地區(在IEA近日的報告裡歸納為階段三或階段四的地區),都沒有因而出現大量的儲能設備。即使是南澳州,也是在再生能源佔比達49%的2017年,才出現比較令人注目的特斯拉大電池

世界各地區電力系統轉型現況

這些地區之所以能有高可變型再生能源佔比而不需要大量的儲能,很大一部份原因在於電力系統整體彈性能力的提升,尤其在愛爾蘭或西葡這些和鄰國電網連接上有重大限制的地區,即使是燃煤電廠也開始出現日週期性的大規模升降載。這些改善很大程度地減少了再生能源併網過程需要的儲能設備需求。

然而這畢竟是可變型再生能源佔比還不算太多的情況。如果佔比提升到40%、50%甚至80%、90%呢?儲能設備的需求不會爆炸性成長嗎?

儲能/削減電力輸出非二擇一

研究內文指出,過去提出「想要發展再生能源就必須要建置很多儲能設備」這樣論點,往往建基於「必須把所有再生能源的過剩發電通通儲存起來供日後使用」這樣的前提。參考下圖的殘載歷線(Residual load duration curve,RLDC),這樣的前提要求A區面積的過剩電力全部儲存起來,在B區面積使用,使得傳統電廠實際上需要輸出電力的量剩下C區的面積。

殘載之定義 Source

在這樣的要求下,儲能設備的需求會被嚴重高估。這是因為當發生極端負殘載事件(negative residual load event,RLDC的右端)時,可以適量地減少可變型再生能源的電力輸出。如此一來,實際上需要的儲能設備需求就會大幅降低。

研究者以德國的電力系統為例,模擬再生能源裝置容量增加之後,在和2014年相同的天候與電力需求條件下的殘載曲線。之後他們使用兩種削減電力輸出的標準來求出最小儲能設備量。

功率導向的削減標準

在功率導向的削減標準裡,電力系統必須儲存過剩的再生能源發電量,直到負殘載小於某個閥值。如下圖,此時區域A為需儲存之再生能源過剩發電量,區域D為削減之再生能源發電量,而區域B為放能後減少之傳統電廠發電量需求。

在這樣的條件下,研究者發現總儲能量的需求大約和可變型再生能源的削減出力比例呈線性負相關。按照這個圖,德國現有0.04TWh的抽蓄水力設備在7%左右的削減出力率的情況下依然可以支應50%的可變型再生能源佔比。

儲能量導向的削減標準

功率導向的削減標準在RLDC上雖然較為直觀,但卻會高估儲能設備需求。原因在於某些短期的負殘載極端事件(如假日午間太陽能發電高峰)的總儲能量有限,反而是長時間連續性的負殘載事件(如一整週溫帶氣旋過境造成的風能發電高峰)才是真正影響總儲能量的決定性因素。許多研究也顯示太陽能和抽蓄水庫等等高功率短周期的儲放能設備搭配上較佳,而風能則需要更長時間尺度的彈性能力或儲放能做搭配。

在儲能量導向的削減標準底下,只有在儲能量已達飽和而可變型再生能源仍有過剩時,才需要削減出力。當然這個方法在計算上就必須考慮可變型再生能源電力輸出和殘載的時間序列,分析上比前一個方法來得複雜一點。

不過,採用此法的模擬結果,同樣再生能源佔比下的儲能設備需求將比前一方法小很多。如下圖,在8%的削減率,即使可變型再生能源佔比達到60%也幾乎不需要任何新增的儲能設備

補充說明一點:以上的模擬結果假設德國為一孤島電網(沒有電力進出口),如果考慮進出口的話儲能設備的需求當然會更少。

最適儲能-削減出力組合的成本有效性模型

以上這些模擬已經顛覆了很多人對於能源轉型一定需要很多儲能的認知,而研究者更進一步計算了不同再生能源佔比下,總成本最小的儲能-削減出力組合。經濟學上稱滿足這樣條件的組合具有成本有效性(cost effectiveness)。

要求出這樣的最佳解,同時必須求出再生能源、傳統電廠、以及儲能設備的最佳投資比例。而由於增加儲放能設備的最大功率或者最大儲能量都必須耗費成本,一個具有成本有效性的儲能-削減出力組合肯定同時會考量功率導向和儲能量導向的削減標準。下圖很恰當地描述了這樣的情況。

在圖中,區域A仍舊是儲存的過剩再生能源輸出電力,區域D1是功率導向的削減標準下進行的削減出力,區域D2則是儲能量導向的削減標準下進行的削減出力。在放能的部分,B1是優化後「基載型」電廠減少的電力輸出,B2則是「尖載型」電廠減少的電力輸出,B3則是透過儲能設備得以減少的「尖載型」裝置容量本來的發電量。
 (如果套用上次IEA報告的分法,則「基載型」電廠指的是提供Energy Volume為主的電廠,「尖載型」電廠指的則是提供Energy Option為主的電廠。)

在這樣的模型下,實際上需要的儲能量依舊比一般想像中還少。比如說,即使可變型再生能源達到電力系統佔比的50%(大約是德國2030年的目標),德國也只需要35GWh的儲能量需求,甚至還沒超過他們目前已有的儲能量

需要留意的是,隨著可變型再生能源佔比的增加,儲能量和最大儲放能功率的比值(EP比)也會增加。EP比的增加代表儲能技術適合充放能的時間尺度。比如說,50%的可變型再生能源下EP比大約為6小時,就代表完整充放能的時間週期在半天以內,而其實就是良好搭配太陽能電力輸出特性的儲放能技術。不過即使到了可變型再生能源佔90%的時候,EP比也不到19小時,也就是說週尺度甚至季節尺度的儲能設備並不需要被納入

過去許多研究強調100%再生能源的電力系統中季節性儲能設備的必要性時,常常是立基於「再生能源的前置成本很高,所以過多的裝置容量肯定很貴」的想法,這份研究指出適當的削減出力下較高的再生能源裝置容量也有機會具有成本有效性。

不過,這並不代表我們不應該開始研究季節性儲能設備,這是因為最終在100%再生能源的能源系統裡,許多部門耦合的機制剛好也能充做季節性儲能設備(例如power to gas)。這也剛好是本研究最後要討論的主題。

彈性部門耦合對最適組合的影響

在台灣,對於部門耦合(sector coupling)最多的想像似乎只停留在「電動車會讓電力需求增加」這樣的扁平思維裡。

然而本研究指出彈性部門耦合對於高再生能源佔比的電力系統的成本有效性也能提供正面效益。假設部門耦合後其他power to x技術具有完全彈性(也就是說能夠依據再生能源過剩/不足的時段調整用電需求),則這些額外的部門耦合技術將能大大減低電力系統所需的儲能設備需求和削減出力比率。

比較具體一點來說,未來停在充電樁的電動車可能在中午太陽能發電尖峰時充電,傍晚殘載尖峰時放電;或者可以利用合成氫氣、合成甲烷等燃料做到類似的事情。

儲能還是彈性調度?傳統電廠與再生能源業者的賽局

最後值得一提的是,這份研究中並沒有深論電力系統的彈性能力對於不同再生能源佔比底下儲能-削減出力最佳組合的影響(雖然研究裡的成本有效性模型中有把傳統電廠的設備和運轉成本納入考量)。我想在這裡做個補充,做為這篇文章的簡短結論。

這篇研究假設傳統電廠能夠完美反映殘載曲線的時序變化。實際上,過多的核煤機組會對系統的彈性能力做出限制,造成同樣再生能源佔比下必須有更高的儲能設備需求

再生能源併網過程中,如果改變電力系統彈性能力和調度模式,能夠有效減少額外的併網成本。資料來源
殘載曲線的變化將會大幅度削減核煤等非彈性傳統電廠經濟調度上的最適配比。資料來源

在這個過程中,如果要維持整個電力系統的成本有效性,傳統電廠的發電和裝置容量結構必須有重大的改變,彈性較差的核煤在電力系統的佔比必須減少。這造成了我們之前提到的傳統電力業者的兩難(賽局)」:到底握有各種發電機組的傳統大型電力業者應該開始調整自己的結構,以適應高佔比再生能源下的新電力系統,還是在再生能源發展的早期就設置各種儲能或備用容量的限制來減緩能源轉型的進程

短期而言,不調整自己的彈性能力、阻擋再生能源發展,看起來能減少損失;然而在知道再生能源的發展是不可回逆的趨勢下,每增加1MW的儲放能設備其實就是讓再生能源佔比的潛能不斷增加,加速的儲能設置反過頭來會讓無法適應的傳統電力業者在中後期面臨更大的結構重組成本與風險。

正如本文初始所述,目前這樣賽局發展下暫時的奈許均衡(Nash equilibrium)似乎都落在傳統電廠選擇大量提升彈性能力以包容更高佔比的再生能源。這也是為什麼不論模擬或實際上,我們都看到能源轉型過程所需的儲能並不像很多人想像得那麼極端。

各研究求出之可變型再生能源在電力系統不同佔比下所需要的儲能設備需求,可以發現即使到了80%左右,大部分的研究求出的儲能量需求也不到全年總用電量的1%

當然,偶爾也會出現其他賽局的結果,比如在台灣能源界似乎還是有股聲音認為電力系統無法彈性調度、再生能源大規模併網須仰賴大量儲能;或者美國核煤電廠業者不斷地強調自己作為「基載」的極度重要性,政府必須無條件救援他們等等。這些就是能源轉型進程中的一些逆流了。