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[社會] 智慧電網也要配合天氣

智慧電網也要配合天氣

新的電網規劃必須考慮天氣變化、分析巨量天氣資料,適當建置電廠與輸電線路,再生能源才有機會成為發電主力。

美國太平洋西北部哥倫比亞河峽谷掀起的風力發電熱潮,不僅是再生能源的成功案例,但也是值得警惕的事件。峽谷中設置了數千組風力渦輪機,為200萬~300萬用戶提供電力。然而,美國俄勒岡州邦尼維能源管理局的區域電網管理人員,卻經常因為這種無碳能源而頭痛不已。不斷變化的天氣,常使得通過渦輪機葉片的風改變方向,造成發電情況起伏極大。宛如溪流中一顆大石頭的胡德山,矗立在峽谷一側把風分流,使情況更加惡化;岔開的風在峽谷的風力發電場中流竄,使電力輸出忽高忽低。對邦尼維能源管理局來說,這好比一座核能電廠以電燈開關來切換控制,電力供應經常波動。


每年春天管理電網加倍困難,那時美國西北部多數水力發電廠的發電量暴增:融化的雪水流入水壩,因此發電機必須全速運轉。美國俄勒岡州波特蘭市的能源顧問夏普(Justin Sharp)指出,讓水通過水壩卻沒有發電,不僅浪費寶貴的能源,也使河水含有過多空氣,導致在河中產卵的鮭魚出現「減壓症狀」、甚至死亡。所以邦尼維能源管理局有時會關閉風力發電場,平白浪費再生能源。


夏普相當了解這個狀況,因為他協助建造了這座風力發電場。他以當地豐沛的風能為研究主題,取得氣象學博士學位後,在伊倍爾佐拉再生能源公司(現為阿凡格里德再生能源公司)工作了七年,以風力渦輪機開發風能,供應電力給邦尼維能源管理局所管理的電網。夏普表示,研發人員的目標是每年以最低成本取得最大電力輸出,邦尼維能源管理局也擴建輸電線路,使電力傳輸更順利。但夏普認為所有人都忽略了天氣和氣候的變化,他說:「我們建造風力發電場時,是否評估過這類變化?沒有。我們現在會評估嗎?不會。這是否影響電力系統和電力公司管理豐沛風能的措施?當然會,而且影響很大。」


夏普和許多專家經常提到這件事,他們推論,打算改用無碳能源的美國各州、各城市和企業遲早會嚐到苦果。如果電網業者忽視天氣變化的影響,電網的效能將越來越不穩定。夏普說:「我們現在就像把再生能源的方形木樁硬塞進現有電力系統的圓孔,我認為這將造成嚴重問題。」


我們必須依據氣象學來鋪設長距離輸電線路,採用可因應天氣變化的智慧電網。這類系統可在北美大量輸送再生能源產生的電力,無論任何天氣情況,都能符合供電需求。例如,當美國中西部缺少風力時,哥倫比亞河峽谷中大量的風能可為明尼亞波利斯市繼續供應電力,反之亦然。管理各種發電方式的工業協會能源系統整合集團的執行董事史密斯(Charlie Smith)說:「我們還沒有達到這些目標。」


天氣變數多


美國能源部國家再生能源實驗室(NREL)電網系統分析小組的布魯姆(Aaron Bloom)表示,平心而論,一般規劃電網時的確會考慮天氣因素,但方法粗糙。熱浪和寒流常使區域電網負載過大,典型方案是在極端天氣狀況下確保電力系統能順利供電。布魯姆表示,但風力和太陽能電廠的規模快速擴大,研發人員不得不大幅改變電網的措施來因應天氣。與傳統燃煤、天然氣和核能的發電機不同,風力渦輪機和太陽能板極易受天氣影響,因此成了供電的最大變數。


德州和加州是這項挑戰的最佳案例:德州風力發電量居全美之冠,超過20吉瓦(GW)。但風力在夜間最強,造成發電量過多,電力公司反而要付錢請用電大戶消耗電力。這聽起來相當荒謬,但關閉風力渦輪機,平白浪費電力的損失可能更多。


加州風力豐沛,太陽能電廠和屋頂太陽能板設置率卻是全美最高。日出時,太陽能板會產生大量電力,有時甚至超出電網所需,但用戶在夜間需要大量電力時,供電又顯得不足。其他州甚難協助加州。新世代能源專案開發公司專注於再生能源,該公司副總裁阿爾史托姆(Mark Ahlstrom)說:「加州南北狹長,對每片太陽能板來說,日出和日落時間幾乎相同。」而且,三年前一次極端天氣現象擾亂了這兩個州的風電供應;當時異常穩定的高氣壓籠罩美國西岸,使風力降到歷史新低並長達數個月。


其他州能夠提供的協助相當有限,因為全美電網分成三大獨立區域,各區域必須自行處理天氣問題。東部聯網(Eastern Interconnection)和西部聯網(Western Interconnection)的供電範圍涵蓋美國和加拿大的大部份地區以及墨西哥的一部份,但兩大交流電網極少互相調度電力,與擁有獨立交流電網的德州更少進行調度。


再生能源衍生的問題可能會越來越多,許多用戶尚不知情,因為大型風力渦輪機和太陽能板產生的電力只佔全美總發電量的7.6%。電網營運商現在仍有數千座傳統電廠可調度電力,解決電力供應不穩定的問題。但再生能源的供電比率越來越高,例如加州政府要求再生能源在2030年前必須達到50%(不含大型水力發電廠),夏威夷最快可在2040年達到100%。美國目前只有少數電力公司和輸電線路建造商著手規劃依天氣調節的電網,解決風力和太陽能供電比率大幅提升時發生的問題,但也有越來越多的工具可因應新挑戰。

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