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智慧电网也要配合天气(1-3)

2020-07-15

智慧電網也要配合天氣(1/3)

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。


重点提要

除非全美电网的规划能考虑各地日常天气变化,否则风能和太阳能无法成为主要能源。根据详细天气资料建立模型,可协助业者挑选再生能源的发电厂位址,并提升连结各区域的直流输电线效益。其中一个模型可把美国再生能源供电比率提高到67%,但各州和电力公司对长距离直流输电线的反弹,可能扼杀具备智慧天气系统的电网发展。

美国太平洋西北部哥伦比亚河峡谷掀起的风力发电热潮,不仅是再生能源的成功案例,但也是值得警惕的事件。峡谷中设置了数千组风力涡轮机,为200万~300万用户提供电力。然而,美国俄勒冈州邦尼维能源管理局的区域电网管理人员,却经常因为这种无碳能源而头痛不已。不断变化的天气,常使得通过涡轮机叶片的风改变方向,造成发电情况起伏极大。宛如溪流中一颗大石头的胡德山,矗立在峡谷一侧把风分流,使情况更加恶化;岔开的风在峡谷的风力发电场中流窜,使电力输出忽高忽低。对邦尼维能源管理局来说,这好比一座核能电厂以电灯开关来切换控制,电力供应经常波动。

每年春天管理电网加倍困难,那时美国西北部多数水力发电厂的发电量暴增:融化的雪水流入水坝,因此发电机必须全速运转。美国俄勒冈州波特兰市的能源顾问夏普(Justin Sharp)指出,让水通过水坝却没有发电,不仅浪费宝贵的能源,也使河水含有过多空气,导致在河中产卵的鲑鱼出现「减压症状」、甚至死亡。所以邦尼维能源管理局有时会关闭风力发电场,平白浪费再生能源。

夏普相当了解这个状况,因为他协助建造了这座风力发电场。他以当地丰沛的风能为研究主题,取得气象学博士学位后,在伊倍尔佐拉再生能源公司(现为阿凡格里德再生能源公司)工作了七年,以风力涡轮机开发风能,供应电力给邦尼维能源管理局所管理的电网。夏普表示,研发人员的目标是每年以最低成本取得最大电力输出,邦尼维能源管理局也扩建输电线路,使电力传输更顺利。但夏普认为所有人都忽略了天气和气候的变化,他说:「我们建造风力发电场时,是否评估过这类变化?没有。我们现在会评估吗?不会。这是否影响电力系统和电力公司管理丰沛风能的措施?当然会,而且影响很大。」

夏普和许多专家经常提到这件事,他们推论,打算改用无碳能源的美国各州、各城市和企业迟早会嚐到苦果。如果电网业者忽视天气变化的影响,电网的效能将越来越不稳定。夏普说:「我们现在就像把再生能源的方形木桩硬塞进现有电力系统的圆孔,我认为这将造成严重问题。」

我们必须依据气象学来铺设长距离输电线路,採用可因应天气变化的智慧电网。这类系统可在北美大量输送再生能源产生的电力,无论任何天气情况,都能符合供电需求。例如,当美国中西部缺少风力时,哥伦比亚河峡谷中大量的风能可为明尼亚波利斯市继续供应电力,反之亦然。管理各种发电方式的工业协会能源系统整合集团的执行董事史密斯(Charlie Smith)说:「我们还没有达到这些目标。」

天气变数多

美国能源部国家再生能源实验室(NREL)电网系统分析小组的布鲁姆(Aaron Bloom)表示,平心而论,一般规划电网时的确会考虑天气因素,但方法粗糙。热浪和寒流常使区域电网负载过大,典型方案是在极端天气状况下确保电力系统能顺利供电。布鲁姆表示,但风力和太阳能电厂的规模快速扩大,研发人员不得不大幅改变电网的措施来因应天气。与传统燃煤、天然气和核能的发电机不同,风力涡轮机和太阳能板极易受天气影响,因此成了供电的最大变数。

德州和加州是这项挑战的最佳案例:德州风力发电量居全美之冠,超过20吉瓦(GW)。但风力在夜间最强,造成发电量过多,电力公司反而要付钱请用电大户消耗电力。这听起来相当荒谬,但关闭风力涡轮机,平白浪费电力的损失可能更多。

加州风力丰沛,太阳能电厂和屋顶太阳能板设置率却是全美最高。日出时,太阳能板会产生大量电力,有时甚至超出电网所需,但用户在夜间需要大量电力时,供电又显得不足。其他州甚难协助加州。新世代能源专案开发公司专注于再生能源,该公司副总裁阿尔史托姆(Mark Ahlstrom)说:「加州南北狭长,对每片太阳能板来说,日出和日落时间几乎相同。」而且,三年前一次极端天气现象扰乱了这两个州的风电供应;当时异常稳定的高气压笼罩美国西岸,使风力降到历史新低并长达数个月。

其他州能够提供的协助相当有限,因为全美电网分成三大独立区域,各区域必须自行处理天气问题。东部联网(Eastern Interconnection)和西部联网(Western Interconnection)的供电範围涵盖美国和加拿大的大部份地区以及墨西哥的一部份,但两大交流电网极少互相调度电力,与拥有独立交流电网的德州更少进行调度。

再生能源衍生的问题可能会越来越多,许多用户尚不知情,因为大型风力涡轮机和太阳能板产生的电力只佔全美总发电量的7.6%。电网营运商现在仍有数千座传统电厂可调度电力,解决电力供应不稳定的问题。但再生能源的供电比率越来越高,例如加州政府要求再生能源在2030年前必须达到50%(不含大型水力发电厂),夏威夷最快可在2040年达到100%。美国目前只有少数电力公司和输电线路建造商着手规划依天气调节的电网,解决风力和太阳能供电比率大幅提升时发生的问题,但也有越来越多的工具可因应新挑战。(待续)

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