邁向淨零排放：英國未來能源情境（下）能源系統彈性

前兩篇文章（消費者視角（上）、能源系統視角（中））提到，英國國家電網2020《未來能源情境中》報告中不同淨零排放情境下的能源使用，以及能源系統需如何轉變。然而，當能源系統中沒有可大量儲存的化石燃料，且間歇性再生能源佔比高時，需藉由其他方法來維持能源系統的穩定和彈性。本篇文章分享提供能源系統彈性的方法。

能源系統在不同的時間尺度內要維持供需平衡。例如：數毫秒的電網波動、一天或一週內的尖離峰用電、不同季節的耗能變化、甚至是極端氣候造成某一年能源使用異常。能源供應太多則系統無法承受，太少無法滿足需求。

能源需求隨著時間（早晨晚上、平日假日、冬天夏天...）而改變。傳統能源系統能維持平衡，主要是隨著需求調整化石燃料的供應。例如：用電尖峰增加火力發電輸出、寒流來時增加天然氣供應量以滿足供暖需求。雖然各國化石燃料多為進口，但儲存量可達數天至數週，因應需求上的變化。

要達到淨零排放，化石燃料用量必須減少，同時增加再生能源的使用。因此要有替代技術讓能源系統保持穩定。報告中將系統彈性分成整體系統彈性和電力系統彈性。

整體系統彈性是調度不同能源及燃料的能力，包括燃料和電力系統之間的轉換和儲存。例如：電能過剩時轉成燃料儲存起來、電力供應不足時用燃料發電或供暖。報告提出兩個重點：

下圖解釋氫能系統如何運作。氫氣一年內儲存量因來源不同而有所變化，基本上冬天前會儲存足夠的氫氣（圖十一之一）。天然氣製氫因為夏天用量低而降載，並使用氫儲能來維持供需平衡（圖十一之二）。電解製氫隨著電力供需情況調整，電力供應過剩時製氫，不足時降載或停止（圖十一之三）。

隨著再生能源比例提高以及能源使用電力化，電力系統需要更多能在數分鐘至數週內調節的能力。電力系統的彈性可分為需求端彈性和供應端彈性。

個人行為對用電需求影響小，但結合多人改變則能有所影響。需求改變是透過補助或是市場機制來促成。例如：供電吃緊時補助用戶使其減少用電、時間電價來減少尖峰用電。以上方法稱為需量反應。各種需量反應會相互竸爭，且市佔率隨著技術成本下降而改變。另外，未來電力供應過剩的發生頻率，會因再生能源比例提高而增加，因此適時的增加需求可減少棄電（註：棄電為供電過多時，強制停止部份再生能源發電，以維持電網供需平衡）。

報告中分析了五個需量反應方法：

工商業需量反應是企業依照電力供應情況來調整用電量。在淨零排放情境中，容量預計從現在的1GW增加到8-13GW（圖十二之一）。需量反應市場的快速發展，主要是因為燃氣發電比例減少後，對電網調節的需求增加。另外，智能科技的發展和應用、供熱系統電力化...等，都可使企業需量反應的容量提高。

住家用電彈性主要來自時間電價（電價隨著電力供需而變化）的推行。當多數戶安裝智慧電錶，且電動車和電供暖的使用增加，用戶採用時間電價可節省更多的電費（用離峰電力充電或儲熱）。此外，將充電系統升級至V2G（車對電網），可透過幫助電網調節而獲得額外的收入。隨著相關技術（家用電池、電動車、智慧住家能源管理系統）的提升和普及，未來住家用電需求會更有彈性。時間電價和V2G的普及率，預計在2050年分別達到50-80%和5-40%（圖十二之二）。

住家供暖彈性來自使用混合加熱器（使用電和氫能）和熱儲能以降低尖峰供暖用電。英國供暖和用電尖峰都在寒冷的冬天傍晚。供暖系統電力化後，對電力系統的負擔也會增加。電力化程度最高的消費者轉變情境（圖十二之三），2050年電供暖（熱泵）用電尖峰達到30GW。混合加熱器可在尖峰時切換成使用氫燃料，來降低尖峰用電至26GW，搭配熱儲能可再降低至18GW。

電解製氫彈性可隨供電情況調整用電量，並用大型儲氫設備來調節。電解製氫主要使用風力和太陽能生產過剩的低成本電力，減少棄電且不增加尖峰用電，但會使設備的負載因數（一年內設備實際運行的時間）降至15-24%。電解製氫容量在電力系統達到零排放（2030年左右）後開始增加，於2050年可達53-73GW（圖十二之四）。

電動車充電彈性是由調整電動車充電時間（智慧充電），或逆向對電網供電（V2G）來減少尖峰用電。隨著電動車的普及，電動車充電對尖峰用電的影響越來越大（圖十三）。2050年在無充電限制的情況下，電動車充電可讓用電尖峰增加19-22GW，使用智慧充電後可降至10-13GW。如再加上V2G，對尖峰用電的影響可下降至6GW，甚至是負7GW。也就是尖峰時電動車供電給電網的量，大於充電量。

供應端彈性主要有三個來源：可調度火力發電、電網互聯、大型儲電系統。

可調度火力發電包含傳統的燃煤或燃氣發電，以及零排放的生質能和燃氫發電。英國的燃煤發電機組將在2024年全部除役或轉成生質能發電。燃氣機組發電量從2018年的36%，預計2030年降到13%以下，於再生能源發電量不足時使用。燃氫發電將在2030年後增加，取代燃氣發電作為備用。2050年燃氫發電容量預計為10-20GW，依據情境而不同（圖十四之一和二）。生質能發電為另一個可調度的發電方式。部份生質能發電會搭配碳捕捉來提供負碳排，但為了使負碳排量最大化，這類機組會以基載的模式運行。

電網互聯透過兩個地區的電網連接，增加雙方電力調度的空間，並穩定電價。電力的流向由市場價格決定，從價格低流向價格高的地區。當再生能源比例增加後會更加重要。英國電網互聯容量預計從目前的5GW，2040年前增加到22-27GW（圖十四之三）。英國目前進口電力大於出口，預計2030年左右變成電力淨出口。

大型儲電系統包含傳統的抽蓄水力、近年發展快速的電池系統和V2G、以及發展中且適合較長儲存時間（storage duration）的壓縮空氣和液態空氣儲能系統。以上為原報告中提及的儲能系統，實際儲能技術有很多種。儲能系統有兩個重要參數：功率容量（單位時間最大輸出量）和儲存容量（能源儲存量上限）。這兩個參數的比例會因技術而不同，造成適合的應用也不同。

目前英國的總儲存容量在40GWh左右（圖十四之四），主要來自抽蓄水力。此容量預計2027-2034年之後才會增加，2050年可達150-250GWh（不含V2G）。圖十五為不同儲能系統在2030及2050年的容量。其中V2G在2050年的容量可達7-17GW/110-240GWh，儲存容量大於其它系統。另外，功率容量最大的為電池系統，可達13-24GW，儲存容量較小適合供應尖峰用電。

（各情境的定義請參考消費者視角（上））

消費者行為改變較高的情境中（消費者轉變及積極減排），使用者供提需求端彈性的比例較高。系統轉變的需求端彈性比其它情境還低，是因為此情境電力化程度較低、使用更多可大量儲存的氫能、可調節的火力發電裝置容量較高。

現實中，影響各技術使用比例的因素有很多，除了政策方向，更重要的是技術發展和成本降低。英國實行自由市場制度，成本低的技術會取得更多市佔率。政府的工作是建立公平且開放的市場機制（電力市場、碳交易）並定下明確的減碳目標（碳預算），而市場機制讓適合的技術留下來。

英國國家電網每年都會提出《未來能源情境》報告，內容隨著政策和技術發展而有所不同。筆者特別將2020年的報告部份翻譯成中文，除了這是第一份完整淨零排放情境的報告，另外是希望更多人對整體能源系統有所了解，並表達淨零排放可行，但很挑戰。

接下來，筆者打算分析台灣的能源數據並和英國作比較，進一步討論台灣能源系統，要達到淨零排放可能面臨的挑戰在哪裡。

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