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【創新台灣】4.1 提升太陽光電與水力發電效率,鼓勵分散式能源體系

陳彥豪/台灣經濟研究院研究一所所長


圖片來源:AdobeStock


壹、問題意識


一、 分散式能源體系概念


分散式電力系統是由許多小型模組化的發電系統和對應之配電系統所組成,這些系統大部份設置在電力需求所在地,除了能獨立運作外,也可併聯電力網路。燃料電池、汽電共生、太陽光電、小型風力發電與生質能發電等都可視為分散式發電系統。傳統的電力多是使用化石燃料(煤炭、石油、天然氣),水力及核能發電等大型集中式發電系統所產生,再從供應端透過力網路長距離輸送後配送至消費端,系統多僅能單向傳輸電力。這樣的系統有其缺點,例如對輸入燃料的依存度高、溫室氣體和其他污染物對環境的影響、輸配電損失、需要電力配送與交換設備等。


相較於傳統的電力系統,分散式電力系統有許多優勢。分散式發電系統由於多設置於電力需求所在地,可減少電力輸配損失和成本(電力輸配成本約占總電力成本的30 %),並可延緩電網電力傳輸負荷成長,延後電力輸配電系統升級或增建的時程。和集中式電廠相比,燃料電池、生質能或燃油發電機等分散式發電系統在發電過程中所產生的廢熱可透過結合熱電共生系統,提高系統整體效能。供電中斷時,分散式電力系統則可對家庭或鄰近區域,利用儲存電力在一定時間內持續供電。從電力投資者的觀點而言,分散式電力系統有其誘因,例如較易覓得開發地點,且短期內即可生產電力出售,可較快速的回收投入成本。在資金利用方面,分散式發電系統可視電力需求逐步投入資本,因此在資金的利用效益與風險上都較集中式電廠有利。再生能源和其它分散式電力系統(例如燃料電池等)的運用,有助於降低能源進口量及提升電力供應安全,促進能源供應的多元化。


二、 分散式電力運作概念


近期分散式發電已經蓬勃發展,在特定應用上分散式發電已是成本最低的電力提供方式。然而這些分散式發電若要真正具有競爭力,整個分散式系統必須能夠和整體電系統協調整合運作。為實現分散式系統,目前有很多新技術正在同時發展,例如先進控制系統;更能緊密結合、具有智慧和效率的電力轉換器;智慧電表;快速發展的物聯網以及從大數據中取得決策資訊的能力。


由於分散式的電力系統未來將逐漸普及,配送電力網路設計需考慮配電網路中所併聯的附加供電系統。分散式的電力系統除了發電與儲電系統外,管理和通訊系統及用戶資源管理不可欠缺。未來的電力系統構造中,需要對越來越複雜的系統進行管理,整合系統上所有設備,三個重要概念因此蘊育而生:微型網路系統;支援資通訊技術的互動網路管理及先進電力通訊系統;虛擬電廠。


1. 微型網路系統


微電網是另一個電網革新的發展方向。微電網由一群相互連結的電源和負載所構成。微電網可以無限期的獨立運作,如果內部變動對平時連結的大電網造成不穩定,也可以將自己快速脫離。在自然或人為災害時這是很重要的特性。電網有效的分配,可將損失適度的限制在特定區域。長期而言,微電網技術普及的時間要視技術經濟性和對應的法規限制而定,屆時很可能電網將會演化成一系列相互連結的微電網。這些相互連結的微電網聚落可以相互分享電力,配合與所謂的經典電網互動,最小化能源成本,最大化電力系統妥善率。


2. 支援資通訊技術的互動網路管理及先進電力通訊系統


互動網路管理系統概念除利用資通訊技術控制區域內之微型網路系統外,最大之特色在於利用遠端控制協調整體電力網路內個別區域電力系統。如果某地區電力不足的話,為了維持系統電力平衡,可停止對特定需求端停止供電或增加發電量。這樣的系統將有助於提高電力系統的可靠性。先進電力通訊可建立互動網路管理系統,有助於改善能源管理、防範竊電、建立電力公司與使用者間溝通等工作,亦可協助電力系統管理資訊網路化,完成分散式負載管理、緊急事件反應及自動抄表等。


3. 虛擬電廠


虛擬電廠是將適用相同類型電價制度、需量反應或分散式發電設備方案下的用戶群,如住宅型、商業型或工業型等用戶集合。此概念雖與目前作法相似,但主要區別在於虛擬電廠相對於現在單一整體方案而言,其定義層次更細緻。虛擬電廠概念使電力公司得以將不同方案依據其配電網型態與地理實體位置分布、或是其他整合協議將不同方案進行整合,並利用標準發電排程方式最佳化所有電廠,以減少尖峰時段、增加備載容量、及為再生能源的間歇性提供備援。


三、 分散式再生能源區域能源商業體系


隨著風力及太陽光電能發電成本逐漸低於燃煤、燃氣或核電廠發電成本,陸上風力發電成本在全球多數地區已達到市電同價,能源系統將從傳統集中式化石燃料電廠逐步轉型納入更多小水力、太陽光電、風電發電等分散式再生能源電源,再生能源生產型用戶市場(prosumer-market)也將逐漸展開。未來各層級與規模的在地生產者及生產型消費者(prosumers)配合地方尺度管理參與電力市場,如此將徹底改變傳統「一對多」、「跨區生產與消費」商業體系,增加「多對多」、「現地生產與消費」的多元經濟模式,讓電力系統以低碳且更具經濟性方式運行。

圖 1、電力系統隨分散式再生能源發展轉變示意圖

(資料來源:Agora Energiewende)


四、 企業擴大使用再生能源


由於再生能源等潔淨能源科技已經可為企業帶來環境效益、價格穩定等利益,國內外許多企業已經開始宣示、承諾使用再生能源。企業使用再生能源可幫助企業達到溫室氣體減量目標、降低傳統電力燃料價格波動風險,而且再生能源電力依靠在地自然資源,可有效提升能源自給比例,保障能源供應安全。企業具有規模的採購與投資對於再生能源市場已經產生影響。企業買家具有引導新設再生能源實際發展或協助推進新興或成熟的再生能源市場潛力。對此,國際間政府已開始採取措施,除強化再生能源使用與永續發展環境構面價值體系,也開始建立健全再生能源自由交易市場,讓企業取得及使用再生能源的方式朝多元化發展。再生能源電力的市場平台,可以實現再生能源的新商業機會。


目前國內業者規劃及參與市場的再生能源類型主要是陸上風電、太陽光電、小水力及離岸風力發電。台灣太陽光電、風力、水力發電有不同年間、季節、時序發電特性,例如風力發電冬季發電量相較於夏季較佳,水電發電、太陽光電夏季發電量相較於冬季較佳。對應現行轉供電力分時結清規則,採購再生能源電力需考慮不同再生能源發電特性、用戶自身用電特性、需採購再生能源規模等因素,分析最適採購再生能源組合。


貳、具體主張


一、 推動區域能源整合推動能源轉型工程


政府推動2025年達成非核家園政策,提高綠能發電比例,可預期台灣將經歷重大的能源與社會轉型工程。台灣北中南各區域能源利用與再生能源有其特色,例如北部地區尖峰用電仰賴南電北送,為大型能源需求中心以需量管理為核心。中部地區擁有離岸及陸上風力發電資源。南部地區太陽光電設置占全國70%以上,搭配儲能系統可整合成為南部虛擬電廠。東部地區則有豐富的地熱、海洋能資源。

圖2、台灣各區域能源利用與再生能源特色示意圖

(資料來源:本研究)


立法院通過「電業法」修正案,於電業劃分中新增再生能源發電業及綠能售電業。虛擬電廠概念讓各區域的分散式電源與需量反應等微小容量結合用戶群代表商業模式,配合電業法修正案之再生能源發電及售電電力事業、自用發電設備轉供自用等參與電力市場機制,善用當地資源擴大綠能使用、提高電能使用效能與節電意願、降低缺電風險,建立未來各區域能源運用規劃標竿,帶動區域綠能產業與新興電力事業發展。


二、 推動地方政府作為用戶群代表的必要性


利用多樣化的分散式電源技術,市場導向的虛擬電廠擁有靈活的發電組合,具有電能交易和提供各種輔助服務的可能。虛擬電廠依據不同的使用功能與目的可劃分為商業性虛擬電廠與技術性虛擬電廠兩種類型。商業性虛擬電廠可整合分散式電源於各種電力市場中進行交易,並以利潤最大化為整合發電組合的目標。技術性虛擬電廠的主要功能則是對電力系統提供支援服務。


台灣未來無核家園時代即將來臨,為因應潛在的缺電與供電壅塞問題,並因應未來台灣大量提升再生能源佔比之規劃,推動以地方政府為用戶群代表推動都會區微小需量整合參與需量反應,除可達到節能減碳及降低輸配電系統壓力外,配合市電端需求側電網調節管理策略,如時間電價、自動化需量反應或可停電力等措施,透過未來全市公共住宅智慧電網雲端電能管理系統建置,亦得協助系統調度者作為備轉容量、頻率調節或電壓調節等輔助服務資源,建立都會區新型態之虛擬電廠與用戶群代表商業模式及提供市民新形態的能源服務。對國內產業而言可建立國內虛擬電廠供電服務團隊,協助將國內機電產業由設備代工、系統設計進一步轉型為附加價值較高的虛擬電廠系統服務業,有助於協助國內企業掌握國際再生能源發展時代下的新智慧能源整合商機。


三、 現地再生能源市場對於促進地方再生能源發展的重要性


隨著再生能源發電成本下降,能源系統將納入更多小水力、太陽光電、風電發電等分散式再生能源電源,再生能源生產型用戶市場也將逐漸展開,如此將再生能源市場引進多元經濟模式,讓電力系統以低碳且更具經濟性方式運行。而再生能源電力現地生產與消費,實務上的感性聯結將可提升用戶使用再生能源意願,促進現地再生能源資源化為在地社區與電力系統帶各種利益。


隨著分散式再生能源發展,各類型發電設備相關土地所有人、社區團體、個別投資及維護分散式發電資產數量不斷增加,現地能源市場(Local Energy Market)成為不同在地消費者採購在地電力促進能源系統轉換的重要設施。在地再生能源電力媒合場所,讓用戶有機會可以選擇所在地的再生能源電力供應商所供應來自於該地區的再生能源電力。「現地」概念的規模可以是鄰居、村落、城鎮或是國家,對電力事業而言則可能是特定線路的集合或是特定層級電網,實務上須因地制宜由利害關係者以實際運作共同闡釋。


因應再生能源電力驅動新時代,國際間透過落實技術實用、系統操作、商業模式和市場設計的前瞻創意,整合高占比再生能源。政府推動能源轉型與電力市場自由化,電力系統運作趨向與分散式電源整合,採與區域協同型態運作。可預期未來電力市場將會更多元化,有更多地方參與機會,逐漸發展成「區域再生能源聚落」,支持地方創生。參考國際間推動案例,實務上的感性聯結將可讓商業用戶和家庭用戶有意願使用再生能源,促進再生能源電力現地生產與消費,讓現地再生能源潛能轉化為資源,進而擴大在地再生能源供應,建立在地再生能源經濟產業,為在地社區與電力系統帶各種利益,實現能源民主促進國家能源轉型。


四、 以再生能源憑證應用於不同領域範疇模式


由於再生能源相較於燃煤、燃氣發電溫室氣體排放量極低,擴大再生能源使用可抑低溫室氣體排放,再生能源憑證代表再生能源發電對有利於環境屬性的產權,是電力消費者具體化再生電力使用宣告的必要工具。再生能源憑證可將設置再生能源躉購的價值鏈外溫室氣體減量,轉換成價值鏈內為溫室氣體減量。未來,若歐盟碳邊境調整機制規範對象擴及至複雜商品或間接排放,再生能源憑證應可用於減少生產過程使用電力所導致之隱含排放,以再生能源憑證促進淨零正向循環經濟。


參、政策建議


一、 對動區域能源整合推動能源轉型


台灣未來能源轉型工程建議需以區域能源利用與再生能源特色為主軸,建立各區域所屬能源轉型策略,由地方的需求帶動技術創新並加強地方參與,確保可連結地方特色及願景與地方共榮。未來由於間歇性再生能源比例增加,需由中央與各地方合作推動大型區域能源展示櫥窗,驅動區域智慧能源轉型工程,利用智慧電網及虛擬電廠商業運轉模式建構智慧能源整合的服務平台,將再生能源納入台灣能源供應運作體系。


二、 以地方政市政府作為用戶群代表推動虛擬電廠


推動以地方政府建構專屬能源管理系統作為用戶群代表,逐步促進都會區微小需量參與需量反應,擴大都會區可抑低需量來源的構想。實際上所導入之軟硬體設備包含智慧電表、可視化人機介面、可調光光源、家電設備、溫度照度感測器、智慧家庭電能管理系統、智慧建築電能管理系統、社區能源管理系統、電動車充電樁、太陽能板、儲能系統等,具有用電環境監控、用電可視化、分散式電源監控、用電設備監控、最佳化排程、自動需量反應等功能,可聚合用戶、大樓或社區中各項用電設備、分散式電源及儲電設備發揮包含節約電力使用、抑低用電、負載移轉、接受用電調度等功能,若配合台電公司需量反應及智慧公宅參與需量競價試驗機制接收調度則可作為商業性虛擬電廠。未來若配合電力事業開發,本計畫所提出方案亦可連結電力公司的配電調度中心作為技術性虛擬電廠,提供配電等級輔助服務。


臺北市政府近年以打造臺北市成為低碳智慧城市作為其發展願景,自105年起,產業發展局便陸續導入智慧電網技術至不同型態實證場域進行驗證,並持續擴大導入範圍與型態。隨著實證場域數量逐年累積,為有效管理各場域發用電資料及導入成效,規劃以智慧電能管理系統作為管理者與各場域設備之間的溝通介面,並朝向建立能源數據分層管理制度進行,及賦予不同層級的智慧電能管理系統特有的權限與功能,幫助臺北市政府建立整體性專屬的智慧電能管理模式,以提高能源效率及提升能源自主性。


三、 在地化再生能源媒合平台運作模式介紹


在地化再生能源媒合平台提供區域專屬市場商品設計、價格信號、供給與需求預測,引導區域能源供需平衡、產業轉型、市場發展。配合電業法開放,將透過中央電力交易平台進行區域調度、輔助服務、區域間電力交易,構成完整臺灣電力市場。考量國內電力事業架構,參與媒合平台對象包含再生能源發電業,用電大用戶或再生能源售電業。平台功能僅設定作為再生能源發電業和大用戶及售電業之媒合場所,為傳統電力交易運作機制中的店頭市場(OTC)或促進雙邊交易,不實際介入兩造的實際履約行為。


以在地化再生能源媒合平台促進在地再生能源自由市場,為接續躉購機制的有效再生能源推動措施。以臺南為例,建議可由市府成立再生能源媒合平台為南臺灣地區提供再生能源多元市場機會,以再生能源新經濟強化,促進臺南全面轉型為再生能源首善之都。再生能源業可以此平台提供再生能源電廠附近的民眾提供回饋電價,讓民眾感受到在地再生能源資源對當地所帶來的利益,更支持在地再生能源發展。在產業面也可為臺南地區的工業用戶提供充足的再生能源電力來源,吸引更多支持永續發展的科技產業在當地發展,同時支持在地再生能源產發展、轉型。建議臺南市府可研議在地再生能源媒合平台設置可能性,並邀集當地再生能源企業與社區共同推動相關交易媒合示範,創建在地再生能源市場。


四、 建立綠色憑證與商品制度


在全球追求淨零轉型、義務性綠色貿易的新時代,確保再生能源來源,使用再生能源為企業提升競爭力的重要策略方向。大體而言,若為滿足電大戶義務規範,企業多採取購買太陽光電或陸上風電方式,提前達成目標,獲取義務裝置容量減免。若為滿足特定廠區再生能源使用須達到特定比例,多採取風力發電搭配太陽光電方式達成。若為滿足百分之百使用再生能源承諾,考量台電公司現行電能轉供結清機制及再生能源發電時間互補關係,企業則須採取採購風力發電、水力發電、搭配部分太陽光電方式,極大化再生能源使用。


以再生能源抑低不同類型溫室氣體排放達成零碳排,是企業追求達成碳中和策略方案之一。隨著再生能源供應增加,建議要建立再生能源商業大樓、再生能源資訊產品、再生能源運輸或雲端服務、再生能源電動車、綠氫等綠色憑證與商品制度,讓企業或個人可以選擇環境友善綠色商品,感受再生能源在氣候、健康與經濟等方面所帶來的多樣經濟或生活環境。期望在不遠的未來,無論是企業或個人,都可選擇使用再生能源,支持台灣邁向再生能源百分百。


研究核心著重於全球淨零轉型共識下的碳邊境管理、企業永續經營、溫室氣體排放管理趨勢發展,研究再生能源電力、森林碳匯、綠色交通運輸、綠色雲端運算、碳捕獲無碳電力、綠氫等資源成為價值鏈內溫室氣體減量手段機制例如再生能源憑證,並輔導國家、城市及企業淨零轉型。

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