特斯拉百日內興建的大電池在南澳洲風光上線，而德國在年初達成再生能源發電量一度滿足電力需求的新里程碑。種種跡象顯示世界各地的電力系統正在面臨一場劇烈的轉變，而因應這些轉變所需要的新觀念、技術、市場機制和政策方向也逐漸被各界討論，成為全球能源轉型進程重要的新興研究領域。
「彈性」成為電力系統新的重要指標
直觀上，彈性的定義主要針對電力供需平衡做討論。供需平衡的確是電力系統最重要的觀念之一，任何時刻電網中的電力需求（負載）都必須和電力供應取得平衡。不過，電力系統中的電壓和頻率（因為是交流電系統）也需要無時無刻進行調節，頻率反應和電壓反應其實也是討論電力系統的彈性需要考慮的環節。
不過，在供需平衡上，雖然變異型再生能源系統（有時搭配少量電池）能些微控制電力輸出曲線使變異平緩，但以系統整體的角度目前還是無法做到在風光發電量高時把大量電力儲存起來，然後完全滿足其他時刻電力需求的程度；並非沒有這些技術，只是大規模儲能設備成本太高，還沒到大量投入的時機。因此在現階段，電網供需平衡的任務主要仍落在傳統的彈性發電機組和抽蓄負載上。
「殘載」成為討論供需平衡的重要特性
為了更明確地描述電力系統整體對於供需平衡的彈性需求，「殘載」（residual load）的觀念在近幾年開始在能源轉型先進國家被熱切地討論。殘載目前尚無統一的定義，在本文我們僅最簡單的一種。如下圖，殘載在某些文獻中被定義成「任何時刻裡，電力系統的需求負載減去變異型再生能源電力輸出的剩餘負載」。
在傳統電力調度思維裡，彈性較差的發電機組（比如核、煤）應該盡可能滿載發電（即所謂的「基載」），而剩餘的負載則由燃氣和水力的彈性較佳的發電機組（即所謂的「中載」或「尖載」）支應。
即使是過去，傳統電力調度模式就已經存有內在的邏輯缺陷：比如，如果按照彈性區分基中尖載，水力發電就會是尖載，但如果按照邊際發電成本來區分它反而是基載；實務上在某些國家，它常常兩者都是。到了晚近，當零邊際發電成本的風能和太陽能大量進入電網時，辯論它們到底是基載、中載還是尖載就更加荒謬了。因此，德國、丹麥、加州、南澳州等能源轉型先進地區漸漸不再使用基中尖載來區分電力系統中不同發電種類的特性，而漸漸改以調度彈性做為指標，並根據殘載曲線找出最適當的調度方式。這樣的思維轉變，象徵著對於整個系統的殘載彈性重視程度的增加。
如果從殘載彈性來區分傳統電廠，燃氣的彈性最佳，硬煤次之，褐煤略遜一籌，而核能最差。然而這是從傳統電力調度運作底下觀察到的特性，在能源轉型過程中，個別機組和系統整體的殘載彈性會不斷優化，進步程度也往往高出早先的預估。之所以會發生這樣的情況，上圖所示的報告做了詳細討論：除了針對既有機組的改良、新建機組的設計思維轉變之外，設計良好的批售電力市場也是一個重要的關鍵。比如，負批售電價預期維持時間夠久的話，便能確保傳統發電業者得到足夠的誘因能大量降載或關機，而不是選擇將大量電力留在線上；或者獎勵裝置容量而非總發電量的「裝置容量市場」（capacity market），也能避免業者陷入不發電利潤下降的難題。而這些都還沒有討論到需求面的彈性（即需量反應）呢！
從「殘載彈性」發展而來的新電力調度思維
以殘載為主的思維轉變已經可以在德國的電力調度中慢慢看見：如下圖，一般情況下德國的硬煤機組已經成為反應殘載彈性的主要發電方式，而當殘載大幅下降時，褐煤、甚至核能機組也得開始學會怎麼迅速、大量地升降載（注1）。
把鏡頭拉回台灣，我們何時會需要擔心殘載彈性的問題呢？很明顯地，以目前的再生能源裝置容量，馬上進入這種討論肯定是言之過早。根據國際能源總署的分類方法，台灣目前應該還處在變異型再生能源併網四個階段中的第一階段，優先工作是公開併網資訊，並先處理一些區域性友善併網上的制度和法規問題。比如，此時如果再生能源發電裝置的頻率反應和電壓反應制度能早日明確規範，往後的工作也會輕鬆很多。
但如果台灣的2025再生能源裝置容量目標如期達成，我們遲早會進入階段二。這個時候，再生能源的變異性質會逐漸從區域性配電網影響到整個系統的輸電網，因此要開始針對系統中較弱的節點做強化。同時為了做好適當的調度，各地區再生能源的電力輸出預報就很重要；據此，傳統電廠也必須能反應相對應的殘載彈性需求。
為了給讀者更具體的感受，這裡根據上圖所示我的一份期中課堂報告推估出的2025夏天台灣殘載做不同電力調度的情境分析。
我們這裡提供兩種可行的電力調度情境做對照。如上圖，「低碳情境」下，燃氣發電將成為填補殘載需求的主力，當殘載需求超過特定上限時，硬煤機組才會啟動，並填補剩餘的殘載需求（英國的燃煤機組目前的調度方式）。「低價情境」下則無時無刻保有硬煤機組在線上，但每日硬煤機組上限的容量根據該日尖峰殘載做調整，以燃氣機組瞬時發電量不超過特定上限為原則（除非可調度再生能源和抽蓄負載無法支應剩餘的殘載）。
很明顯地，「低碳情境」下的硬煤發電佔比將大幅小於「低價情境」，也因此「低碳情境」的碳排放係數會低於「低價情境」。目前政府的2025電力部門減碳目標是希望電力碳排放係數能從2016年的每度0.529克二氧化碳當量下降到0.394克二氧化碳當量。「低碳情境」下，不管燃氣瞬間發電上限多少，夏季的平均電力碳排係數都會小於政府的目標；而「低價情境」下，當燃氣機組的瞬間發電原則性上限為22GW時，燃氣發電佔比為50.7%、電力碳排放係數為每度0.396克二氧化碳當量，十分接近政策目標。下圖是這個「政策情境」下，電力系統調度的情況。
這系列的情境分析並不是在告訴大家，2025年夏天台灣的電力系統就會長成這樣。我裡面有許多簡化的假設，比如實務上，冷機啟動燃煤機組需要6小時左右，因此不可能能以完全契合殘載曲線為目標啟動機組，所以「低碳情境」可能過於樂觀（注2）。不過，人們總是好奇，以太陽能為再生能源擴張主力的電力系統殘載曲線會長得如何？而如果打破過去「硬煤必須作為基載」的潛規則，電力系統的碳排放係數改善潛力的可行上限大約在哪裡？這些情境分析仍給這些問題提供參考。
那麼，下一個階段又會有甚麼呢？
殘載彈性將會是台灣在階段二的電力調度重要考量。在那之後，當殘載曲線開始頻繁低於上線傳統機組的最低必載（must run capcity或minimum compliant load）時，我們就會進入階段三。在台灣，這個狀況最有可能發生在冬季午間，太陽能和風能都夠強勁的時候。可以想見，在傳統電廠沒有辦法出口電力的情況下，台灣在應對階段三的殘載變動時會比德國或丹麥來得吃力（注3）。不過，已經有不少對外聯絡電網同樣不足的地區（如愛爾蘭、夏威夷等）成功進入這個階段並且供電穩定無虞，等未來幾年確定台灣再生能源發展情況照預定計畫前進之後，我們再開始詳細討論這個階段的應對方針也不遲。
不管如何，一個需要不斷強調的事情是，大規模的再生能源併網並不會造成供電穩定性相關風險的顯著變化，德國和美國的一些統計資料和分析已經一再說明此點，其他已經走到階段三的地區也只是更多的證據，台灣人實不需妄自菲薄，還沒學會走路就擔心能不能參加賽跑。
這一切又是為了甚麼？
在能源轉型的進程裡，一直有一種聲音，認為既然轉型的過程緩慢而複雜，傳統電力系統和調度思維真的非改不可嗎？的確，當德國的核煤機組持續學習如何大幅度升降載的同時，加拿大安大略省為了保持核能機組穩定發電，在2017年削減了25%的再生能源發電量進入電網。安大略省的風能發電占比不過6%、也幾乎沒有任何太陽能，這麼高的削減率當然不是技術限制造成的；正如Craig Morris曾說的，「再生能源怎麼樣才算過多其實是個政治問題」。同理，能源轉型回到根本，就是一種價值取捨：人民想要這個政策，所以能源領域的研究者或從業者研究怎麼達成；至少這是我在德國接觸到大部分學者專家的態度。
注1：不過德國的核能機組是準備除役，所以才能表現出大幅度的殘載彈性；這樣的調度對他國的核能產業仍是特例，且受到較多限制。
注2：如果是以備轉的燃氣機組補充硬煤反應不足的殘載的話碳排放量會下降。
注3：往好的方面想，我們因而可以避免遇到像德國那樣，燃煤發電量因為持續出口而無法有效下降的狀況。
