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智慧电网也要配合天气(2-3)

2020-07-15

智慧電網也要配合天氣(2/3)

新的电网规划必须考虑天气变化、分析巨量天气资料,适当建置电厂与输电线路,再生能源才有机会成为发电主力。

(续前文)

利用巨量天气资料

布鲁姆率领的NREL研究团队和多位专家例如爱荷华州立大学的麦卡利(James McCalley)正进行一项重要研究,评估东西部联网增加电力调度的效益。联网结合研究(Interconnections Seam Study)率先採用空间和时间解析度极高的风能和太阳能最新资料,产出的模拟结果更精确。NREL的资料以每五分钟为间隔,提供全美整年的天气和能源流量资讯,并以每两平方公里绘製风力分布图和以每四平方公里绘製太阳能分布图,这些详细资料是了解哥伦比亚河峡谷等複杂地形中风力变化的重要依据。此外,NREL也可藉由预测各海拔的风速,选择适合不同地点的风力涡轮机技术。集众人智慧产生的模拟结果,我们可了解如何在2040年之前把美国(不包括德州)的再生能源供电比率既经济又稳定地提高到超过54%,这比目前高出很多。

模拟结果消除了东西部联网的分界,方法是沿两区域边界铺设数条大容量直流输电线把两者结合起来,或者透过从美国西岸到中西部的长距离直流输电线,加上由路易斯安那州至弗罗里达州的主输电线路,结合东西部联网。直流电在长距离输电的损耗远少于交流电,因此採用直流输电线较经济。根据NREL的模型,研究人员可计算出输电线路该承载多少电力,以及建造新发电机的地点,让改良后的输电系统能充份发挥功用。

这些模型为「智慧天气最佳化系统」提供了许多机会,例如在更多地点建造多种风力涡轮机和太阳能板,而非如同现今集中设置在少数风能或太阳能特别充沛的地区。NREL的能源建模人员布林克曼(Greg Brinkman)表示,这幺做将可稳定利用再生能源,而不需要如此依赖传统电厂的储电量。他说:「多样化是规划此系统的原则。」

NREL的模型建立方式相当複杂精密,凸显智慧天气系统长久以来面对的挑战。举例来说,麦卡利简化了一些模拟程序,减少每次模拟所运算的时间,但是也需要6~7天。此外,把再生能源发电机分配至特定地点时,採用简化的时间和空间资讯,而不採取每五分钟的间隔和每四平方公里的精确度。

NREL研究团队也预先设定直流输电线的起点和终点,以避免布鲁姆所谓「数学上难处理」的计算过程。结果,该模型不一定能让发电机和输电线路同时达到最佳化。不过NREL的初步结果仍显示,长距离直流输电线每年可减少燃煤和天然气的费用,省下38亿美元,超过建置成本的三倍。不过如果直流输电线配置得当,每公里可省下更多钱,更可减少碳排放量。

欧洲希望在2040年可用再生能源稳定供电,为了重新规划欧洲电网所建立的模型,显示NREL的模拟结果可能无法完全发挥再生能源的潜力。位于比利时布鲁塞尔的欧洲输电调度中心协会(ENTSO-E)在2030年电网模型中添加风力、太阳能和其他再生能源的发电机,把再生能源的供电比率大幅提高到75%。该协会的专家进一步扩增各国间的联网,纾解季节电力瓶颈。最后,他们重新调整发电机的配置,让重新规划的电网充份发挥潜力。根据反覆最佳化的过程,在2040年电网模型中,再生能源供电比率大幅提高到超过80%。

更好的演算法?

一位独立研究人员宣称,他能结合所有模型的技术,发掘出更多天气资料的价值。克拉克(Christopher Clack)是电网模型建立和电力需求预测机构「活力新能源公司」(Vibrant Clean Energy)的执行长,该公司位于美国科罗拉多州。他在美国国家海洋暨大气总署(NOAA)工作了四年,开发出先进的天气电网演算法。他于2016年推出商用软体WIS:dom。

克拉克表示,WIS:dom和NREL都採用高解析度天气资料,但运作方式不同,WIS:dom能为再生能源创造出更多机会。近年他分析美国大型电网并提出一套电力系统:再生能源在2040年可提供62%的发电量,比NREL最近的预测多出20%。该电网的电价也比目前便宜10%。克拉克表示,如果把省下的钱用来开发输电系统,他的模型可提高再生能源的供电比率到67%,而且在2040年之前就能完成。

克拉克表示,WIS:dom能更有效利用天气资料,因为该软体与NREL不同,不需预先设定输电线路的起讫点,可同时让电厂和输电系统达到最佳化,尤其是长距离直流输电线。这套模型也纳入全美再生能源发电机的每小时资料,进一步平衡偏远地区的风能和太阳能。举例来说,我们能透过WIS:dom知道,德州夜间增强的风力何时可补足美国东岸沿海夜间减弱的风力。克拉克说:「每个地区都能在不同时间协助其他地区。」麦卡利也承认NREL的模型有其限制,在这方面可能不足,但他也质疑简化模型是否造成这幺大的差别。

克拉克表示,他的模型「只需要」运算两天,就能产出更优异的电网模拟结果。专家指出,克拉克的整合模型或许是智慧天气系统的重大突破。阿尔史托姆表示:「克拉克已经使系统的精确度更上一层楼。」

然而,WIS:dom仍然欠缺验证。阿尔史托姆、布鲁姆和其他专家都想进一步了解克拉克研发的模型如何运作,以验证可靠度。布鲁姆表示:「克拉克很聪明,他所研发的模型很棒,只是我不清楚他是怎幺办到的。」克拉克似乎不太可能透露细节,毕竟他要把软体的模拟结果卖给能源公司,并建议地区电网业者和输电线路建造商该把数十亿美元投资在什幺地方。(待续)


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