星期日, 8 月 7, 2022

德瑞克說碳金融》跋山涉水只為遇見你 ─ 電力的長途旅行 (一)

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。

(圖片來源:https://pixabay.com/)

上一講,我們提到了電力供需在地理位置上的不匹配,因為可再生能源豐富的地方,可能不是現在人們大量聚落的都市。所以電力要經過地理上的長途輸送來媒合供給與需求。

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為了給電力更生動立體的形象,我把電力做了比喻,他從遙遠的家鄉出發(發電處),跋山涉水百千里,只為了遇見那個她(電力需求的地方,往往是大都市)。

首先,讓我們先簡單來科普一下,電力是怎麼傳輸的?

電力傳輸是從發電廠到你我家中的過程,當然不可能是兩端直接拉一條電線就行,牽涉到複雜的電網結構。簡單來說,為了減少在長途傳輸的電力耗損,發電端會先升壓(高壓電線路一般是幾十萬伏特,比皮卡丘的十萬伏特攻擊還高),然後在接近用戶端的時候再逐步降壓,變成我們家裡使用的110伏電壓。

下圖中,紅色網絡是剛從發電端出來的超高壓輸電,然後降壓到黃色網絡的高壓輸電(可以供給工業用),再降到綠色網絡的低壓輸配電到用戶端。

(資料來源:Wikipedia)

一百多年前,愛迪生跟特斯拉這兩位天才,曾經對於電力傳輸,使用直流電還是交流電,進行激烈的商業競爭。這是段很精彩的故事,也被拍成了電影《電流大戰》,有興趣的讀者可以去看看。

百年前交直流大戰的結果是交流電獲得勝利,所以今天我們使用的電力系統是以交流電為主。而獲勝的原因,就在於交流電容易變壓。

因為交流電的電磁效應,人們只要使用兩組線圈,就能做出構造簡單的變壓器,達成改變交流電壓的需求。如前面提到,提升電壓可以減少遠距離傳輸的電力耗損,只要到用戶端時再降壓使用就好。有了容易變壓的特性,交流電能比直流電傳輸的更遠,因此成為百年來電力系統的主流。

只是隨著電網的線路電壓不斷提高,再加上輸送功率和輸送距離不斷增大,而且系統複雜程度不斷提升,在一百年之後,直流電又迎來春天了!為什麼呢?

為什麼高壓直流(HighVoltageDirectCurrent,簡稱HVDC)在遠距離傳輸上,會比高壓交流更適合?

讓我們先再來回顧一下直流電的四個優點。

第一,直流線路只需要正負兩根線,而交流線路三相需要三根線。因為使用直流線路,線材少了三分之一,所以電力耗損也少了,傳輸效率更高。

也因為線材少了,電塔沿線下方的土地(稱之為輸電走廊)較窄,所以所需要徵收的土地較省,當動輒是幾百公里甚至上千公里的輸電線路來說,節約的土地量是非常可觀的。所以,傳輸距離越遠,直流成本優勢越大。

第二,交流電因為傳輸距離遠了相位會跑掉,稱為功角穩定問題,需要額外的系統補償回來。而直流電沒有這個問題,非常適合遠距離輸電。

第三,直流電適合海底電纜(海島供電、海上風電)和城市地下電纜輸電。

因為電線在海水跟土地裡傳輸時會形成電容,而電容會使得交流電壓上升,容易造成線路短路。直流電不會受制於電容問題,所以適合海底與地底電纜輸電。

第四,使用交流線路把兩個交流電網連結在一起時,就如同我們上一講說的「互聯」,會造成兩邊電網頻率同步,生死與共。用交流網路「互聯」在一起,有福同享當然很好;可是有難時,局部可能會牽連到整個系統。

所以電網管理者會希望能彈性的分開管理,這時候直流電線路能夠「非同步」連接兩個交流電網,將是具有彈性的管理方法。

但是直流電也有兩個缺點與其所帶來的限制:

第一,直流變壓不易。百年前直流電就是敗在這個點上!

不過隨著電子電力技術發展,升壓的工作就交給交流來處理,只要再用換流站將交流電轉為直流電就好。只是換流站因為控制系統複雜,造價會比較昂貴。

第二,因為技術限制,直流要形成多端點網路很困難。因此直流電比較適合點對點傳輸,不適合多點互傳。

讓我們用具體的成本圖表來總結(下圖)。

(圖片來源:https://kknews.cc/)

上圖是建設成本對輸電距離的關係圖,圖中直流電是紅線,而交流電是綠線。兩者都有固定的電站前置成本:直流電傳輸需要架設換流站(將交流轉成直流),而交流電傳輸需要架設變電站(升降電壓),這兩個成本在圖上是上下兩條虛線。換電站的成本比變電站來得高,所以直流電(紅線)的初始成本較高。

但是直流電的單位線材成本較低,所以隨著輸電距離增加,直流電(紅線)是呈現較平緩的上升曲線。

根據估算,直流(紅線)與交流(綠線)的成本交叉點,大概落在640公里到960公里之間的傳輸距離。
也就是只要中近距離傳輸(低於600公里),交流傳輸還是有絕對優勢;而直流則適合用於遠距離點對點的傳輸(高於900公里)。

因此,交流與直流輸電相互配合的輸電方式,是現代電力傳輸系統的發展趨勢。

讓我們看看實際案例,分別從中國與歐洲的電網配置來做觀察

首先是中國的特高壓電網絡分布圖。藍色線是高壓直流,綠色線是高壓交流。確實能看得出來,長距離的單點連結,走的是高壓直流(藍色)。而中短距離區域互聯,走的就是高壓交流(綠色)。

中國國家電網在建在運特高壓工程示意圖。(來源:國家電網官網)

另一個案例則是歐洲大電網。它分為五個分別的同步區,在下圖分別用不同顏色表示,分別是歐洲大陸同步電網(藍色)、北歐同步電網(灰色)、波羅的海同步電網(粉紅色)、英國電網(棕色)和愛爾蘭電網(淺綠色)。

複習一下,在一個同步區內,用的是交流電網互聯,通過交流線路分配電力,共同平衡所有電網內的需求負載。截長補短,互利互惠,但是也共同承擔系統風險。

而在同步區與同步區之間,則是通過深綠色的高壓直流連接。除了遠距離的成本優勢之外,也包括我們提到的高壓直流有能夠「不同步」的彈性。

歐洲電力系統,深綠色直線為高壓直流連結不同的「同步電網」。(圖片來源:https://www.researchgate.net/)

談完了現代電網的直流與交流共濟之外,請讀者們試著想想,電網究竟是大的好?還是小的妙?

大電網的好處很明顯,資源共享,截長補短,克服可再生能源的不確定性,也讓電力交易能最大化發揮市場機制。特別是對於資源緊張的國家(像是日本)來說,更是希望能找到有力的後援。

日本超級商人孫正義(軟銀集團創辦人,曾多次蟬聯日本首富),創立了Renewable Energy Institute集團,就提出「亞洲超級電網」的概念(如下圖),希望能串聯亞洲的電力網路。理想是最大化利用每個地區豐富的天然可再生能源資源,來提供安全且廉價的電力。

主要是因為日本缺乏豐富的可再生能源,為了達成減碳目標,希望能利用俄羅斯遠東的水電和風力發電以及蒙古的太陽能光伏發電。

(圖片來源:Renewable Energy Institute官網)

因此,未來電網的發展,在大與小的選擇之間,除了是技術問題之外,其實更多是路線問題。

前一講提到過,當電網擴張越來越大,如何維持穩定與平衡將越來越困難。這是技術的面向,需要投資與時間讓技術成熟。

另外,國家選擇把錢投資在哪邊,則是很重要的路徑選擇問題

路線一,選擇聯合大電網。

利用擴充電網的地理範圍,來克服可再生能源發電的隨機性,確實能得到最佳化也最便宜的發電成本。但是現行的輸電網路則還需要再大規模擴充,而架設長途電網需要很高的投資。

路線二,選擇眾多的區域型微電網。

分散到各地區自行發電並做備載方案,則現行的電網已經夠用,不需要大幅擴充。但是為了克服可再生能源的不確定性,每個地區都需要增加發電裝置與儲電裝置,這也是很大的投資金額。對比路線一,這是完全另外面向的投資。

也就是你要選擇把錢投資在建設長途跨區電網?還是建設區域型自給自足的微電網?

你要選擇跋山涉水來相愛?還是轉角遇到愛?That is the question。

(圖片來源:偶像劇「轉角遇到愛」劇照)

讓我們看看對減碳走得最前面的歐洲,他們的研究數據。

根據2020年Joule期刊上所發表的研究,他們把歐洲28個國家,分成497個行政區域,然後每四個小時做為區間抓資料,建立一整年的數據模型。

以下是他們的假設情境與分析結果。

圖中藍色就是前文提到的路線一,整個歐洲做聯合大電網。假設可以選在最適合的地方發電(Best locations),然後輸電到全歐洲去。

圖中黃色則是前文提到的路線二,建立眾多區域型的微電網。假設歐洲的497個區域,每一個都達到電力自給自足,區域內要自己發電並且做好備載。

(圖片來源:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435120303366)

以紅色框的整體需要發電量(Generation)來看,黃色代表微電網是1.6TW,藍色代表大電網是1.1TW。

表示眾多的微電網加總起來,所需要的發電量要比聯合大電網來得多。因為要達到自給自足,每個區域就都得多準備一些電來做備載。

也就是若是選擇區域型微電網,則各區域內的太陽能板設置、儲電裝置、需量反應將成為投資發展重點。

若以綠色框的總傳輸電量(Total Transmission)來看,黃色代表微電網是166TWKm,藍色代表大電網389TWKm。

因為聯合大電網需要四處調度電力,所以傳輸量很大,而微電網因為已經自給自足,總傳輸量就只有不到藍色的一半。

也就是若是選擇聯合大電網,則集中式的大規模離岸風電、高壓電網的容量擴充與調度計算,將成為投資發展重點。

其實,為了達到全球減碳目標,聯合大電網或是區域微電網,沒有誰比誰更好。只是每個路線的選擇背後,都會牽涉到政治、投資、未來技術與產業發展等多個面向。

所以,分散式去中心化好?還是集中做資源最優化好?That is always the question。

從《德瑞克說碳金融》第二十六講開始,我們花了四講的時間,從智能電表入門,說到可再生能源對電網的挑戰,再到全球各區域電網的「互聯」,到這一講談交直流互相補強,以及微電網與大電網的路徑選擇,希望能跟讀者們一起初窺現代電網的世界。

只是,不管微電網還是大電網,它們都會面臨一個遊戲規則改變者(A Game Changer),那就是氫能源。不過,在介紹氫能源之前,我要先帶各位往南飛。

下一講,我們去南美洲的智利走一趟。

(圖片來源:https://kknews.cc/)

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