變動風電、智慧電網、需求反應:丹麥能源轉型概述 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

變動風電、智慧電網、需求反應:丹麥能源轉型概述

2016年01月29日
作者:柯妤萱

丹麥的目標:2050全面廢除化石燃料

丹麥的轉型目標是2050年全面廢除化石燃料的使用,改採百分之百的再生能源系統來支撐持續的經濟成長與舒適的生活。在此之前,2020年要讓電力消費量的50%產自風電、20%來自生質能,2030年棄用煤電,2035年便會採用百分之百的再生能源發電。除了能源效益外,丹麥選擇風能與生質能作為綠色轉型必需的重要能源。對丹麥而言,完美的能源轉型除了力求轉換成綠能系統,也要同時保障能源安全、對抗暖化,更要在轉型中施行綠色增長戰略:投資綠色科技與培植企業,使之既領先全球,又增加就業機會。

丹麥的轉型目標。來源:丹麥清潔能源發展之路,Danish Energy Agency。

丹麥已向歐盟承諾,以2005年為基準,要在2020年前降低20%的溫室氣體排放量。這種高標準在歐洲是數一數二。它的碳排量在90年代時曾高達7500萬噸,此後逐漸下降。若政策不變,未來的碳排量亦持續滑落,直到能源轉型成功後的1000萬噸左右。

左圖是丹麥碳排量的歷史與短期預估。右圖是丹麥碳排量的2050年預估。來源:The Danish Climate Policy Plan,the Danish government

零核的未來

丹麥的能源系統中也曾使用許多煤炭,但比例會逐漸降低,生質能與能源效益貢獻卓著。依丹麥的轉型策略,未來十年可削減33%的化石燃料用量,降低依賴。依丹麥的官方估測,再生能源的比例由1980年的3%升至2010年的19%,在2020年前持續升至33%,也就是三分之一的能源將主要由風能與生質能提供。在廢除化石燃料的能源組合中,核能依然缺席:丹麥的核電廠與離岸風場興建成本差不多,但前者的不確定性高多了,芬蘭的Olkiluoto核電廠3號機即是興建進度延遲與預算超支的例子,此外核電廠全日全速運轉的偏好也不適合與變動的風能搭配。

對世界核能協會而言,由於丹麥電網與鄰國相接,故由鄰國輸入的核電量——儘管比例遜於風電——依然算成丹麥的消耗電量。不過依照丹麥政府的能源戰略與它對核電的評價[註1]來看,零核是難以動搖的國家政策。


化石燃料的比例在丹麥能源生產量中逐漸降低。來源:ENERGY IN DENMARK 2013,Danish Energy Agency。

分散式發電系統

1970年代的石油危機與對核能安全的恐懼讓丹麥轉向於探索風能。反核與擁風的社會影響了政府,在1988年時立法禁用核能,也連結起社運人士與科學家,促進新式風能科技的發展。丹麥電力系統曾由大型集中式熱電廠主宰,但卻已進化成讓分散式與集中式電廠並存:約有1000個基於天然氣、廢料、沼氣與生質能發電的汽電共生廠(CHP)、工業用和在地化電廠,與5200架風機及92000塊太陽能面板彼此串接;另有16座集中式電廠,採用煤、天然氣、燃油與生質能發電。

從前的丹麥是由接近工業區與城市的少數集中式電廠來供電。但現在,朝分散式發電演化的系統內,已有許多風機與在地的CHP廠供電。來源:The Danish Experience with Integrating Variable Renewable Energy,Agora。

綠電量看漲

根據丹麥的能源戰略,生質能與風能在初始能源消耗量中的比例將不斷攀升,但這樣的成長趨勢需要政府強大的決心與友善的法案來扶持。

左圖顯示的是初始能源消耗量中的再生能源組合,可見生質能與風能為大宗。右圖則顯示政府的意願與持續的挹注會強烈地影響再生能源成長的幅度。來源:Energy Strategy 2050 

2014年,丹麥的風電量佔全國用電需求量的39%,此比例屬全球最高。它的每年停電秒數偏低,去年的平均只有15秒(註2,註3)。丹麥有兩個電力的子系統:日德蘭半島與菲因島組成的西丹麥,電網接向歐陸與北歐,以及主要由西蘭島構成的東丹麥,電網接向瑞典;東西兩邊由直流電線相接(註4)。西丹麥的用電需求與再生能源發電量都比較大,在2014年共有1230個小時產出超過需求的風電量。丹麥的負電價在2011年、2012年、2013年、2014年分別有15小時、33小時、39小時、46小時,這是源於丹麥與北德在冬天時產出的大量風電。儘管負電價對消費者有利,但發電商蒙受損失,這項挑戰需要兩國擴張電網來解決。

丹麥逐年的發電量中,風電的比例越來越高。來源:A Snapshot of the Danish Energy Transition,Agora

整合飄忽不定的風能

既然風是時有時無的自然資源,丹麥如何在電網中整合高比例、多變化的風能呢?

與鄰國的電力交換是應付高比例風電入網最重要的工具。丹麥的電力進出口是為了調節國內電網的供需,而不是因為缺電才進口。丹麥尖峰需求有6GW,與挪威、瑞典、德國相連的淨電力傳輸容量就有6.4GW。丹麥能在風能發電量高時出口電力,也能在風能發電量低時進口電力,過多的風電量透過跨國電網出口有助穩定電網。丹麥藉著北歐電力池與挪威、瑞典相連,讓後者的水力設施成為風電的儲存場。不過丹麥與德國間產生的出口瓶頸倒是個新問題:北德風勁之時,自己的風電量也很多,便沒有容量來吸取丹麥的出口電量。不過雙方的輸電系統商認為這個問題將來會被解決。

風電量大時,整個電力系統需彈性備戰(註5)。除了出口到鄰國、降低傳統電廠的電量,也可以增加當地住宅的電力消費量:意即在電量大而電價降低的時刻,電動車、電暖器等設備開始自動充電,消費者享有低價時也平衡了電網供需。截至目前,丹麥內部的電網擴張用以應付越來越多的風電一直是足夠的。電力系統也可以選擇棄風,對新式風機而言,風電量過剩的問題不在於技術而在於經濟損失;當能源系統的其他部分更有彈性時,可將這個問題最小化。

電動車的普及能夠降低柴油與石油的消耗量,還能作為再生能源的儲電場,再將電賣回電網。電動熱泵也降低了暖氣原本所需的石油消耗量。理想中,它們能協助增加需求電量以平衡風電供給量。大多數的汽電共生廠(CHP)中有儲熱系統,儲熱也可以增加電網的彈性:在風電量大時從儲蓄池中供熱給消費者且減少供電,在風電量小時則協助供電。丹麥2014年的電力消費量比1990年相比增加約13%,與2008年相比跌了7%,跌幅是基於工業電力消費量降低之故。電力需求量的未來預測將依能源效益的效果與新設備(電動車、熱磊等)的用電量而定。

然而,隨著電動車與熱磊的普及,用電量將大幅上升。也就是說,轉型為一個能整合風電的智慧電力系統,需要隨之擴充電網與建造更多發電容量。讓電網變得更有彈性以即時反應供需,又準備充足的發電與傳輸容量,是能源轉型的兩項重要議題;第三項則是讓居民願意接受相關設施,另有專文敘述。

隨著電動車與熱磊的普及,用電量將大幅上升。來源:The Danish Experience with Integrating Variable Renewable Energy,Agora。

智慧電網與智慧住宅

前述的分散式發電廠與智慧電網都是再生能源發展的基礎。丹麥政府在2013年時施行「智慧電網戰略」:消費者不但能在遠端遙控家中的電錶,也能以每小時為單位購電。2020年前,智慧電錶須在全國消費者中普及,故每年將安裝20萬至30萬個。過半數的消費者已能從遠端讀取每小時的智慧電錶數據。儘管智慧電錶需要額外成本,仍能讓消費者獲益,尤其是選擇按小時計電費的那些人。

根據丹麥國家電網公司(Energinet.dk,屬於丹麥氣候與能源部)的擘劃,太陽能板、電動熱泵(取代燒油的熱水器)與小型CHP設備(供應暖氣)能協助新式住宅成為零耗能的再生能源儲存場。未來的智慧住宅設計也能讓住戶輕易地控制耗能量。他們可藉手機、筆電來開關空調、冰箱、洗衣機等耗能產品,也可預先設定在風力強、電價低的時段內使用這些設備。電動車亦如室內產品,可用手機軟體設定在低價時段內充電之。這種依供給電量來調控需求端的模式被稱為需求反應(Demand Response),不但能平衡電網的供需,也能協助消費者省錢。若要讓家家戶戶享受到需求反應的好處,則需要智慧電網的普遍鋪設。

未來的再生能源系統將有三種特性:變動的生產量、強壯的跨國智慧電網與需求反應。在智慧能源系統中,再生能源的變動性不成問題。智慧電網與發電端相連並大量輸電至國際市場,再從最便宜的源頭購電,輸送至消費者的智慧住宅。來源:Energinet.dk on Youtube

綜上所述,對丹麥而言,未來的再生能源系統將有三種特性:變動的生產量、強壯的跨國智慧電網與需求反應。丹麥的能源轉型是以高漲的環保意識與強大的社福制度為前提,再由政府打造出因地制宜的能源系統。能源轉型不只講究培育出價格合理的能源組合,也考慮到丹麥在相關產業裡的國際競爭力。研究丹麥,不是為了將它的轉型方式與組合完全複製於台灣,也不是要以兩國殊異之處否決轉型在台灣的可能性。期待台灣政府能藉丹麥的前瞻來計劃轉型目標,趁早準備再生能源所需的電力建設與法案,積極規劃出適用於本地的能源組合。推展再生能源是微小的台灣向世界發聲的前衛做法,期待台灣政府勇於任事,讓我們成為亞洲的綠能之島。


註1:energy strategy 2050

註2:各國停電分鐘數比較:German grid keeps getting more reliable 

註3:丹麥2014年的停電平均時間為15秒

註4:丹麥跨國電網


丹麥跨國電網。圖片來源:中國國家可再生能源發展中心

註5:丹麥現有與預估各種整合風電入電網的方法:

圖片來源:The Danish Experience with Integrating Variable Renewable Energy,Agora。