大量再生能源併網需要更多備轉容量…嗎？
風能和光能大量併網之後，一個人們常常提及的問題是電力系統能否應對它們所產生的彈性需求。今天，我們就來詳述大量再生能源併網後，對於滿足電力系統彈性的其中一種輔助服務工具「備轉容量需求」的可能影響。
備轉容量需求的來源
首先我們先說明電力系統為何需要備轉容量。一般來說，電力系統的備轉容量需求來自系統類三種必須應付的特性：可預測變動性、不確定性、以及突發狀況。底下我們簡單介紹這三種特性的成因。
可預測變動性：來自於負載需求和電廠經濟調度中的不平衡，是可以事前準確預測並具而規劃備轉容量需求的。比如，如果早晨八、九點，核煤等非彈性機組在經濟調度的單位時間區間內（通常為15分鐘到1小時）無法迅速升降載應付負載大增，就有必要安排對應的備轉容量來弭平供需的不平衡。
不確定性：不確定性來自於對負載以及風能光能電力輸出預測過程中的統計特性。實際的負載或風光出力可能會在極短時間內在平均值附近波動（fluctuation，又譯閃爍），或者在較長時間尺度上的平均值和預測結果有所誤差，這些都需要用不確定性備轉容量應對。
突發狀況：另一種序率性的備轉容量需求，用來處理大型傳統電廠或輸電網突然故障解聯等重大負載損失事件。
由於電力系統的不確定性和突發狀況屬於隨機事件，一般會定義一個系統可靠度指標來規劃系統上需要的備轉容量；國際上常見的指標為每年預期負載損失（Loss of Load Expectation，LOLE）機率要小於0.1%。
這裡筆者必須強調的是，有了足夠的備轉容量並不表示電力系統就能應付所有的極端事件。比如說，台灣在2017年8月15日因人為操作失誤造成的5.0GW傳統電廠（大潭外加一部中火機組）短時間解聯事件，當下所需的次級控制備轉容量便超過一般電力系統可靠度標準下所規劃的量值（注），可以說無論如何都必然會發生後續的限電，差別僅在於規模大小和時間長短。面對這種防不勝防的極端事件，在前端管理面的改良與檢討，遠比無限上綱地要求未來不斷提升備轉容量來得重要。
注：當時台灣的負載約為35GW，等於台灣電力系統瞬間減少了1/7的供電能力，一般情況下瞬間損失10%的供電能力就已經算是重大的突發狀況。
再生能源併網對備轉容量需求的影響
那麼，大量可預測變動型再生能源如風能和太陽能併網之後，會對系統的備轉容量需求產生甚麼影響？要回答這個問題，需要個別討論可變型再生能源對於不同類型備轉容量需求的影響。
由於風能和光能等可變型再生能源電力輸出曲線受天候影響，又具一定程度的隨機性，它們造成電力系統可預測變動性和不確定性增加後，備轉容量需求應該會增加。Brouwer等人便指出，風能滲透率在20%時，次級和三級控制所需的備轉容量新增需求約為風能裝置容量的7%，這個數字在滲透率到達50%以前，每增加1%時會增加0.2%。
另一方面，再生能源的裝置容量和傳統電廠相比小了許多，因此幾乎不會增加電力系統突發事件發生的機率。甚至，某些電力系統的模擬中由於再生能源減輕了傳統電廠的發電負擔，反而降低突發狀況發生的機率。
過去經驗則表明，備轉容量需求不必然伴隨再生能源併網規模一起增加。近幾年可變型再生能源在德國電力系統的發電佔比逐年提升，該系統的備轉容量卻不增反減，此一現象被某些研究者稱為「德意志悖論」（”The German Paradox”）。有論者指出，經濟調度的單位時間區間縮短以及德國國內四個控制區域的電力調度業者加強配合、避免無效率的備轉容量需求，是這一悖論產生的主因。
「德意志悖論」其實也不是德國電力系統特有的現象，其他報告統整發現，愛爾蘭、丹麥、葡萄牙等歐洲國家發展風能到一定規模（11–21%）的過程中，也沒有顯著增加各自的備轉容量。亦有文獻提及更優化的預報能力和更鼓勵彈性的市場制度等等晚近美國各控制區域的變革，這些可能就是MISO或ERCOT等美國的控制區域抑制備轉容量需求的重要因素。
考慮到未來，除了前述加州的電力系統模擬間接預估更高的再生能源滲透率不需要更多備轉容量外（注），也有直接計算而發現備轉容量需求在更多再生能源佔比下不需增加的研究。但是這些研究也都顯示，能源轉型過程需要的是能迅速做彈性調度的備轉容量；也因此，針對備轉容量需求的未來規劃，依舊必須放在提升系統彈性能力的大方向下做思考。未來的重點已經不再是我們蓋的電廠夠不夠多，而是我們的電廠夠不夠彈性了。
注：這裡的立論邏輯如下。因為其他條件相同下，更高的再生能源佔比電力系統的LOLE並沒有增加，代表滿足相同電力系統可靠度標準的備轉容量需求總量不需增加。
（本文原載於媽媽監督核電聯盟粉專）
