星期一, 9 月 26, 2022

德瑞克說碳金融》第二十八講 :截長補短 互利互惠─談互聯的大電網

大家好, 我是德瑞克,我對氣候變遷議題下的碳金融有高度興趣,同時也抱著高度質疑。

是什麼讓一個國家的電力系統穩定?產生足夠的電力只是完成挑戰的一半。另外的一半,還需要能安全不間斷地將電力輸送到所需要的地方去。這,就是電網的重要性。

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所以上一講我們談到現代電網的挑戰,也討論到可能的解決方法。

除了靠自身的努力調度之外,俗話說出外靠朋友,能找到互相支持的伙伴結盟也是很好的辦法。因此,這一講我們來談談電網的互聯。

(圖片來源:https://pixabay.com/)

「越分散,越集中」

還記得我們在前一講比喻的「電力拔河賽」嗎?隊中有風光水火四個隊員,我們用隊員的個性來形容不同發電類型的特色,也談到了隨機性帶來的挑戰。

現在如果把十支拔河隊組成聯盟,共同出力,那麼隨機性波動有機會地彼此抵消掉,而得到相對的穩定;同時,聯盟裡的資源更豐富多樣,地理上的廣闊讓水力、風能、太陽能資源更多元,可以選擇最佳的發電地點,降低發電成本;另外也因為聯盟之後電網較穩定了,因此備載電力手段可以少用一些,整體電網營運成本也會降低。

很有趣吧?!為了克服更分散的能源型態帶來的挑戰,解決方法竟然是組成聯盟,以更集中的互聯電網管理來面對。

這個事情已經廣泛地在世界各地發生,下圖中相同顏色的區域就是屬於同一個互聯電網之中。像歐洲大陸同步電網(深綠色,涵蓋24個國家),北美洲的東部互聯(淺綠色)跟西部互聯(黃色),中國的國家電網(紫色加淺綠色),還有俄羅斯與前蘇聯國家等組成的IPS/UPS互聯(橘色)。

(世界上互聯電網,也稱為廣域同步電網,資料來源:Wikipedia)

我們先來看看歐洲大電網,並且從中學習大電網互聯的優點。

先介紹一下,歐洲大電網的總發電裝機容量目前世界最大,實現了跨國電網運營,並且做到了大規模的可再生能源併網使用,值得我們好好認識。

歐洲大電網的營運者是歐洲輸電系統運營商網絡(European Network of Transmission System Operators for Electricity,簡稱ENTSO-E),ENTSO-E是由來自歐洲 36 個國家的43 家輸電系統運營商(TSO)所聯合組成。

先說明一下在先進國家裡,發電與輸送電是分開的。發電可以透過眾多生產廠商透過電力交易而自由化,但是輸送電因為資產維護成本高,而且相同的路徑也實在沒必要蓋兩條以上的線路,所以就有了專門只做輸電系統的運營商(Transmission System Operators ,簡稱TSO)。

TSO負責主要高壓電網上的大量電力傳輸。TSO為電力市場的參與者們(包括發電公司、貿易商、供應商、分銷商和直接連接的用電客戶)提供電網接入。在許多國家,TSO 也負責電網基礎設施的開發。

ENTSO-E 覆蓋的地理區域主要分為五個同步電網。這五個同步電網分別是歐洲大陸同步電網(上面世界地圖深綠色區域)、北歐同步電網(上面世界地圖深藍色區域)、波羅的海同步電網、英國電網和愛爾蘭電網。我們可以把它想成,歐洲這麼多國家,先組成五個小聯盟,然後五個小聯盟再組成一個大聯盟。

在每個小聯盟(同步電網)之內,彼此的電力系統是互相連接的,系統頻率也會是同步的,也就是同一個小聯盟(同步電網)中的國家彼此是生命共同體。而在大聯盟(大歐洲電網)中,不同的小聯盟(同步電網)之間,則通過高壓直流的方式互聯在一起,如果當別的小聯盟有困難時,能互相伸出援手。

若是以拔河隊打比方的話,幾個國家組成同步電網(小聯盟),就是真的把幾個拔河隊真的合併在一起,共用一條繩子來跟總需求拔河,所以輸贏是綁在一起的。

而同步電網之間用直流高壓組成合作的大電網,就像是拔河的小聯盟之間有借將的協議,遇到困難了可以互相調度,但是不同的小聯盟之間用的是不同條繩子,輸贏就沒有綁在一起。後面我們會提到為什麼需要這樣的操作。

(歐洲大電網各國之間的電力進出流動量,資料來源:https://www.entsoe.eu/)

上圖是取自ENTSO-E官方統計的2018年電力流動數據。就像貿易一樣,每個國家也會有電力的進口總額跟出口總額(圖中右邊表格)。從這些數據中可以得到一些有趣的觀察。

像是瑞士(代號CH),進口總額32,420GhW,出口總額31,693GhW,進口跟出口總額都這麼大,但是兩者的差異卻這麼小,也就是瑞士在大量進口電力的同時,也在大量的出口電力,為什麼呢?

這是因為瑞士位在歐洲的中心地帶,是德國、法國、義大利、奧地利之間的交通樞紐,因此瑞士就成了「電力高速公路」上的必經站點,所以這些大量的電力是瑞士的經過流量,而非消耗量。

站在大量電力流動的十字路口上,成為了瑞士穩定電力系統的關鍵因素。附帶一提,瑞士是世界銀行統計國家電力系統穩定第三名的國家。(法國排第一,南韓排第二,台灣很厲害的排在第五名)

另外,丹麥(代號DK)也特別引人注目,我們曾在第十七講專文談過,丹麥擁有世界上占比最高的風電裝機容量(約占全國能源的40%),部分原因是它有一些好鄰居能讓它無後顧之憂。挪威的豐沛水力發電可以作為丹麥風力發電的巨大備用電池。

所以當風小的時候,丹麥可以進口電力(進口總額為15,606GhW);而當風吹起時,丹麥除了自己用之外,還能出口電力(進口總額為10,413GhW)。這也是一個電力大量進口與大量出口的國家,就是這樣彈性的電力調度空間,成為了合適可再生能源發展的土壤。

讓我們總體看看歐洲大電網的關鍵數據:橫跨36個國家,涵蓋43家電網營運商(TSO),服務客戶超過5億人,輸電線路超過30萬公里,總傳輸電力達3174TWh,而其中有TSO之間交換的電力為423,586GWh。也就是每100%的電力傳送中,就有13%是用來做電力交換與支援的,換句話說,歐洲國家平均有13%的電是來自於國外供應來的,這個比例滿高的,表示歐洲電網的大聯盟確實有運作實績。

但是,利用結盟互相連結的方式,來將波動性降低,提高穩定度,這怎麼聽起來這麼熟悉?三國演義中,曹操在赤壁之戰中,也用了大鐵鍊與木板把船隻聯合起來,形成長江上的移動城堡,來克服個別船隻在水上的顛簸。

(三國演義,火燒連環船。圖片來源:鐵血社區)

可是歷史告訴我們,多個組織連結的大系統很強,但就怕其中一個組織突然壞死而系統無法將之脫鉤,會連累到系統整體。

火燒連環船是如此,大電網的連結也是。廣域區域內組成同步電網的缺點就是「某一部分的問題可能會對整個同步電網產生影響」。

當一切運行順利時,電力系統被描述為「平衡」。在這種狀態下,供應完全滿足需求,所有必要條件(例如電壓和頻率)都適合安全高效的電力運輸。

但是任何輕微偏差或不匹配都可能導致基礎設施跳閘並切斷電源,而系統越大,要能完美地控制偏移或不匹配就越難,這是互聯電網的挑戰,也是它成長的極限。

讓我們換個場景。來看看北美的互聯電網與他們曾經嘗試過的努力。

(資料來源:Wikipedia)

北美(美國與加拿大)有九個電力管理區域(如上圖九個不同顏色區塊),而這九個電力管理區域各自合併成同步電網,總共併成了兩大三小的同步電網。

兩個大同步電網分別是東部互聯(East Interconnection)與西部互聯(West Interconnection),三小分別是德州互聯、魁北克互聯和阿拉斯加互聯。

跟前面歐洲大電網相似,在互聯電網之內的所有發電與用電都是同步的,必須保持頻率相同且同步,所以會互相影響。而不同的同步電網之間不直接相互同步,但有一些線路互相支援電力。

曾經,創立一個橫跨北美東西岸(from-coast-to-coast)的巨大同步電網,是美國電力工程師的偉大夢想。整個世代的電力工程師們從1950年代開始築夢,在1967年完成過這樣偉大的建置!

讓從東岸到西岸所有電力運作部件,都同步工作以傳輸電力,讓美國西岸洛杉磯一間公寓裡的燈,能夠與東岸波士頓的一家發電廠相連。這可是一項最高級別的工程成就。

只是不穩定很快就困擾著電力網路,就算工程師們費盡心力地在匹配電網上的每個環節。然而,跨區電網意味著,得整合不同的發電廠與輸配電方,而不同公司之間的財務目標與營運規劃,讓協調與調度困難重重,也影響了整體的穩定性。

而工程師們也認識,要這麼大範圍的連結東西方,還要能持續保持電網穩定不出亂子,以當時技術來說是有侷限的。而有關當局也無法再容忍不穩定的電網,後面就徹底放棄了單一互聯北美電力系統的概念。

所以工程師們不再執著於互聯於同步電網之內,而是找到了另一種方式。在獨立運作的同步電網之間,用高壓直流的方式,讓彼此電網互享電力,卻不必保持同步。用英文來說,they were connected, but not interconnected。

所以,互聯的電網有其好處,就像連環船能克服長江上的顛簸一樣,但是系統太大就難以控制,而且牽一髮動全身,一處差錯可能就會牽連整體。所以歐洲與北美都選擇以中型區域做互聯電網,然後在更大的區域範圍內用高壓直流的方式,做電網之間的電力互享。

最後,我們用中國電網,來了解當資源與需求在地理位置上不匹配時,怎麼利用大電網截長補短。

可再生能源豐富的地方,往往不是現在人們大量聚落的都市。水力發電旺盛的地方,可能是高低落差大的叢山峻嶺;風力與太陽能旺盛的地方,可能是一望無際的沙漠。為了讓電力資源能搭配上需求,電網往往需要長距離大跨幅的媒合供給與需求。

以中國來說,風力與太陽能資源集中於西北部,而水力資源集中在西南部。偏偏能源的需求都集中在東部沿海地帶。所以「西電東送」被視為是中國新世紀四大工程之一。

(西電東送,圖片來源:http://www.envirunion.com/)

這樣的調度,需要將電力從生產端,千里迢迢的送到需求端。舉例來說,來自四川長江上游,滾滾金沙江的水,沖往向家壩水電站所發出的電,會一路被送到了2000公里外的上海,點亮上海的夜生活。

又或者,從甘肅省西北部能源豐富的酒泉地區,把敦煌的「風」「光」能量,歷經2000公里的旅途,滿足整個湖南省四分之一的電力需求。

而這麼遠距離的電網傳輸,是怎麼做到的呢?下一講,我們來看看電力的長途旅行,以及其中的技術與機會。

(圖片來源:https://pixabay.com/)

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