整合變動式再生能源的關鍵創新與解方

葛復光*主筆

*核能研究所綜計組副組長

　　根據國際能源署(International Energy Agency, IEA)的「2019年世界能源展望報告」，在國家政策情境下，全球再生能源發電量占比將從2018年之26%大幅攀升至2040年的44%。因此，如何在高占比再生能源應用下，仍能維持電力系統可靠穩定，一直是大家非常關切的議題，而這對於孤島電力系統的台灣，更是至關重要。國際再生能源署(International Renewable Energy Agency, IRENA)去(2019)年針對此議題，出版了一份報告：「未來再生能源電力的創新風貌(Innovation Landscape for a Renewable-powered Future)」，非常值得台灣參考。

　　IRENA從國際上幾百項創新計畫與倡議中，彙整出四個關鍵面向:1.支持技術(Enabling Technologies)；2.營運模式(Business Models):創造新的服務，以強化系統靈活性及誘因；3.市場設計(Market Design):鼓勵靈活性及價值服務，激發新的營運機會；4.系統營運(System Operation):容許整合高占比變動式再生能源；並在這四個面向中分析出30種關鍵創新。這四個面向中以支持技術最重要，其次為市場設計。

　　創新不能只是單獨實施，整合變動式再生能源的創新解決方案是來自四個面向不同創新的協同作用；若沒有適當的商業模式，技術創新就不會有真正的影響；此外，也需要修改法令及創建架構，使新的價值流(value flow)成為有償，並使系統營運商可整合新技術納入實際系統操作。藉由這個系統性思維，IRENA結合前述30種創新，分析出11項系統解決方案:

1.供給側-(1)以先進的天氣預報，減少變動式再生能源發電不確定性，(2)靈活發電以適應變動；

2.電網-(1)以互聯與區域市場作為靈活性提供者，(2)以長距離超級電網滿足再生能源發電和需求，(3)以大規模儲能和新電網營運推遲電網強化的投資;

3.需求側-(1)聚合分散式能資源，以應用於電網服務，(2)需求側管理，(3)以再生能源微電網提供服務給主電網，(4)以分散式能資源優化配電系統營運；

4.全系統儲能(system-wide storage)-(1)電網級的電池解方，(2)再生能源電力產氫/熱解方。

上述每個解決方案均涵蓋2-4個創新面向及4-10項關鍵創新，因此IRENA強調這是系統解決方案。

　　以「聚合分散式能資源用於電網服務(Aggregating distributed energy resources for grid services)」這項需求側解決方案為例，結合了1.支持技術:表後電池、電動車智慧充電、再生能源發電產熱、物聯網、人工智慧/大數據、區塊鏈；2.營運模式:用戶群代表；3.市場設計:分散式能資源市場整合、創新的輔助服務；4.系統營運:輸配電營運商合作等4個面向與10項創新。這個解決方案強調：若分散式能資源對電網和系統營運商具有更佳的可見性，並改變管制架構讓他們可參與批發、輔助服務、容量市場及接觸市場價格訊號，他們就可以幫助平衡電網和提供相關服務。

　　分散式能資源也包括虛擬電廠，以美國PJM為例，目前的分散式能資源有80%是來自於虛擬電廠。此外，目前所有北歐國家都在致力於實現電表數據和市場流程的數據中心，連接所有配電網上的智慧電表，以即時取得正在發生的電網信息。

　　從IRENA分析的30項創新，可以看到應用最廣的關鍵創新是數位科技中的人工智慧/大數據及物聯網，人工智慧/大數據主要應用在三方面：(1)提高再生能源發電量預測的準確性，(2)改善系統營運並對分散式能資源有更好的管理，(3)以遙測、分析及維護優化改善資產管理；物聯網的應用則是在(1)透過遙控及自動改變分散式能資源和需求來增加系統靈活性，(2)改進再生能源的預測和交易，減少不確定性。其次，應用較多的創新則為1.再生能源電力產熱；2.表後電池:指位於或靠近能源使用端之電池儲能，其對變動式再生能源整合的貢獻為實現在地再生能源發電的有效整合、平滑尖峰負載曲線、促進需求響應服務並參與輔助服務市場，及以自用最大化，降低分散式再生能源成本；3.區塊鏈:主要是可增加直接交易和可驗證的信息共享，不需要中間人，並使規模較小的更新/低成本的營運模式成為可能；4.增加時間/空間分散粒點(granularity)的電力市場:使能快速反應的技術更具價值及激勵發電容量投資在對的位置；5.創新的輔助服務:指輔助服務市場應向新參與者如電池儲能、需量反應與其他分散式能資源及變動式再生能源發電等開放；6.虛擬電源線:以輸電線兩側的電池緩解過載，以推遲或免除輸電線升級的巨額投資。

 　　上述主要的創新在台灣都還有非常大的發展及應用空間，特別是台灣為要滿足溫管法目標，長期而言，勢必得進一步擴大再生能源發電占比。