低天然氣價格使燃氣分散式發電在尖峰負載與電力穩定應用中更具可行性。以下是評估其經濟效益的方法。
KEVIN MANTEL
Account Manager
Electric Power Gas Group
MICHAEL DEVINE
Gas Marketing Consultant
North American Gas Segment
摘要
瞭解當前影響公用電力規劃與決策的各種因素，包括法規變動、災害與極端事件，以及現代燃料替代方案。學習如何立即行動，監控與調度電力供應，並參與電力市場以掌握新的收益機會。在規劃長期能源解決方案時（通常需要數年才能落實），你可能需要採用過渡性能源方案，以滿足市場需求。不論是採用短期還是長期方案，成功的關鍵在於現在就開始規劃，同時深入理解目前與未來的需求能力預測。
本文將介紹業界用於評估當前與未來電力需求的策略性投資標準。只要將各項因素（如履約價、負載平衡、尖峰價格對沖）進行端對端計算，可靠且穩定的解決方案是相當可行的。
引言
許多電力業者正尋求具成本效益的方式，以因應日益增長的用電需求。根據公用事業回報的數據，美國在 2012 至 2021 年間，平均每年有 9,450 MW 的燃煤電廠退役，且至 2028 年底之前，尚未有新的燃煤電廠計畫宣布興建。部分退役的燃煤電廠轉用天然氣燃料或增設燃氣渦輪機組，有助於抵銷這些退役容量所帶來的缺口。然而，可再生能源（風力、太陽能等）數量快速增長，以及地方與聯邦層級的強制規定要求納入這些資源，加上可再生能源的歷史性低容量因數與間歇性特徵，使得電力業者的營運不確定性進一步增加。
分散式能源資源（Distributed Energy Resources），即安裝於電力公司或終端用戶場址的燃氣引擎發電機組，已成為協助滿足不斷增長電力需求的有效工具。將電力用於生產地點或其附近，可減少對配電與輸電系統的壓力。
以天然氣為燃料的引擎發電機在分散式發電應用中表現良好，具備可靠的電力供應、維護便利與低生命週期成本等優勢。天然氣在多數地區皆可取得，且許多地區的低天然氣價進一步提升了引擎發電機的吸引力。當用於尖峰支援與其他策略性用途時，這些機組可實現高效率、提高發電組合的多元性、維護電力品質，並抵禦市場電價波動。此外，它們在汽電共生系統中也具備可觀的熱回收獲利潛力。
上述因素能協助電力業者改善財務狀況、提升對客戶的服務差異化、留住並吸引商業與工業用戶，並促進社區經濟成長。燃氣引擎發電機組可設置於電力公司自有場址，或由在地用戶的電力來源聚合而成，以穩定當地生產的間歇性可再生能源電力。這些機組可用於在當地緊急情況下供電，或單純用以滿足日益增長的尖峰負載需求。
使用天然氣分散式發電的關鍵在於：策略性部署機組、智慧化調度，並充分理解市場動態、每日與季節負載特徵，以及各種發電資源的相對成本。
貼近市場需求
儘管近期因 Covid 封鎖所帶來的經濟放緩，電力需求的成長仍持續超越供給，使電力業者面臨以具成本效益的方式滿足需求的挑戰。疫情期間引發的人口遷徙，更進一步加劇了許多地區的問題。新建發電廠與輸電線路涉及龐大的成本，且往往面對嚴峻的社會與政治阻礙。分散式發電可降低或推遲對電力配電網的必要投資，有助於彌補供需缺口，在更永久的電力方案確定與取得許可前，暫時彌補供應缺口。
燃氣引擎發電機組可以輕鬆、快速且具成本效益地部署在配電系統的戰略位置，不論是設置於電力公司的變電所、用戶電表前，或用戶端電表後，通常可藉由取得電價優惠或避免高峰時段的高額成本，同時不影響設施輸出。在新型天然氣發電機組本身具備的低排放特性下，這些燃氣機組即便在空氣品質法規嚴格的地區，通常也能取得排放許可。許多天然氣發電機組的引擎設計能夠適應「未達標地區（non-attainment zones）」，讓其在排放限制嚴苛的地區更容易取得許可。
推動燃氣分散式發電的市場因素，基本上可以濃縮為四個字：氣電價差（spark spread）。氣電價差是指發電機組售電收入與產生該電力所需的天然氣成本之間的差額。氣電價差的計算公式如下：
Spark spread ($/MWh) = power price ($/MWh) – [natural gas price ($/MMBtu) *heat rate (MMBtu/MWh)]
其中的關鍵參數是熱耗率(heat rate)，即衡量發電機組資源效率的指標。目前常用的熱耗率約為 7,000 Btu/kWh。
需要特別指出，雖然上述公式未納入，所有其他成本（運轉及維護、資本投資與其他財務成本）都必須由氣電價差來覆蓋，該價差才能被視為「正值」。
以每單位等效能源的成本計算，北美商用天然氣價格顯著低於電價，且根據美國能源資訊署（EIA）的預測，這一差距將持續擴大至 2030 年（見圖 1）。
造成天然氣價格具優勢的主要原因，是頁岩氣開採技術（水力壓裂 fracking）大幅提升了供給。供給增加與較低的氣體生產成本，使北美的平均批發天然氣價格下降。與此同時，由於燃煤電廠退役、輸電與配電系統升級成本，以及其他因素，電力公司電價則持續上升，且預計未來仍將上漲。
根據圖 1 所示的年度平均商用氣電價格，以及 7,000 Btu/kWh 的熱耗率，圖 2 呈現了歷史與預測的未來氣電價差。
再根據 EIA 預測的商用電力與天然氣價格，氣電價差預計將持續正向擴大，為在分散式電力應用中部署燃氣發電技術的電力公司與用戶帶來巨大的財務利益。
儘管氣電價差通常是投資分散式發電系統時的重要考量，但在許多情況下，它並非唯一的評估標準。許多需要備用電力以保護關鍵營運的設施，僅就停電期間的潛在成本節省，就能合理化系統安裝成本。許多用戶也藉由自備電力來滿足當地或區域的容量需求。對於這類應用而言，安裝電力設備能在氣電價差為正時額外創造收益，只是其營運上的一項額外財務好處。它同時也提供業主一個機會，可在全負載運轉條件下驗證發電機組的實際性能，確保所有系統在需要時能正常運作。
具吸引力的技術
作為分散式電力資源，發電機組本質上比集中式發電廠更具效率。例如，燃煤電廠的典型效率為 30% 至 35%，而長距離輸電與配電的線路損失可能使最終使用點的淨效率僅剩下 23% 至 27%。
相比之下，燃氣引擎或渦輪機裝置的電力效率可達 35% 至 46%（取決於燃料來源與燃料低位熱值），且若在鄰近地區使用，其線路損失可忽略不計。引擎燃燒與控制技術的進步，持續帶來漸進式的效率提升。燃氣發電機組的其他優勢包括：
- 已被驗證的可靠性 - 在適當維護下，正常運轉率高達 98%。
- 每 kW 安裝成本低、每 kWh 營運成本低。
- 可彈性按需求以可負擔的規模增設容量（單點或多單元聚合安裝達 100 MW 或更高皆可行）。
- 安裝與併網速度快 - 永久性裝置僅需數月，短期需求如緊急情況或中央電廠停機維修時，行動式組合甚至可於一夜之間完成部署。
- 啟動快速 - 非緊急的燃氣機組通常在調度後 15 至 30 秒內上線；用於分散式發電與備用服務的燃氣發電機組可設置以符合 10 秒內啟動與扛載的備用要求。
- 能配合負載需求調整 - 特別適用於尖峰服務與備用供電需求。
- 具備熱回收潛力，總體資源效率最高可達 90% 甚至更高（見圖 3）。
- 維護便利 - 全球皆有受訓技術人員可提供原廠零件維護服務。
分散式機組的優勢不僅限於經濟效益。若合理佈署，它們有助於強化配電系統中關鍵區域的可靠性，協助系統維持電壓穩定與波形一致，提供電壓支撐並減少來自其他來源的波形失真，同時改善功率因數 - 這對操作精密電子設備與高精度製造流程的用戶至關重要。由於其能以可預測成本發電，還可作為應對電力現貨市場價格波動的有效對沖工具。
若設置於用戶場址，分散式發電機組還可作為備用電源，提升用戶的可靠性保障，降低製程中斷、產量損失及其相關成本的風險。這類效益大幅增加了附加價值，使電力公司在以價格為主導的商品市場中，能藉此差異化服務。從更強的競爭地位出發，電力公司能更有效地留住主要客戶，並吸引新企業與擴展投資進入其服務區域。
天然氣需求持續上升
近年來，分散式機組的應用已有顯著發展。歷史上，柴油發電機被用作分散式電力來源，每年僅運行約 100 至 500 小時，用以支撐每日與季節尖峰。然而，隨著空氣品質法規日益嚴格、柴油價格上漲，燃氣機組已成為首選的發電來源。其擁有與運行成本每 kWh 較低，即使僅每年運行數百小時，或在市場價格波動下作為連續基載機組，皆具經濟優勢。
目前，許多燃氣引擎被安裝於用戶端場址，以因應尖峰應用。一旦部署，這些發電機組同時可在停電時作為備用電源。隨著風力、太陽能等可再生能源在能源組合中所占比例日益增加，燃氣機組的運行時數將持續成長，以穩定間歇性的可再生能源電力。隨著微電網的持續普及，燃氣發電機組亦將在這些系統中發揮重要基礎角色。
對於設置於用戶端的機組，延長的運行時數還有助於正當化投資於其他設備，以回收引擎排氣與冷卻液的熱能。這些熱能可用於：建築空調與熱水供應、吸收式冷凍機製冷、乾燥除濕，以及多種工業製程的供熱或製冷（或兩者兼具）。熱回收反過來改善了經濟性，使系統每年運行達 4,000 小時（幾乎為半年度）甚至更多，在分散式資源應用中成為具成本效益的選項。圖 4 呈現了這一發電可用性改善的情況。
負載與成本評估
為定義分散式發電的最佳角色，並最大化其價值，必須深入理解區域電力市場的動態，以及電力公司當前與預測的負載曲線。3D負載圖可協助管理者清楚視覺化每日、每小時及季節負載模式，並進行調整。在圖 5（「年度電力負載曲線」）中，X 軸代表年度日期，Y 軸代表每日小時數，Z 軸則代表系統負載（單位 MW）。
這提供了系統每小時、每日、每月發生事件的可視化資訊，負載模式、特別是尖峰時段一目了然：
- 藍色區域代表低用電時段 - 基本負載期間，能源成本較低。
- 紅色區域代表中間負載時段，通常約 100 至 500 MW，主要由大型燃燒渦輪機供應，運行時間較長，營運成本較高但可預測。
- 白色區域則為尖峰需求時段，尖峰越高，每 kWh 能源成本越高，此時分散式電源（如往復式引擎）最有可能投入運行。
對於特定電力公司而言，尖峰時段的時間與高度取決於多種因素，包括當地氣候與人口模式（如季節性居住與全年常住）。每個電力公司，甚至服務區內不同區域，都需評估負載資源以管理尖峰。
有效規劃意味著不僅要理解當前需求，還要預測未來數年的需求。圖 6（「尖峰與基載成長」）呈現了某電力公司從 2006 年至 2011 年的負載曲線。比較第 5 小時（低需求期）與第 19 小時（尖峰期），2006 年差異為 1.5 MW，而到 2011 年則增加至 3.5 MW，顯示尖峰負載增長速度超越基載，這是資源規劃中必須處理的問題。
無論是針對即時或未來需求，關鍵問題是：應以自發電還是購電來滿足尖峰？答案需仰賴對各選項成本的仔細分析。無論是針對即時還是未來的需求，關鍵問題都是：應以自發電還是市場購電來滿足尖峰負載？答案取決於對各選項成本的仔細分析。
在購電方面，核心參數是電力的總交付價格。舉例來說，假設一次性購買 5 MW 容量的區塊電力，全年 365 天、全天候供應。若能源價格為 $55/MWh，輸電費用為 $6/MWh，則總成本為 $61/MWh。但若部分電力最終未被使用，單位成本將增加。例如，若僅將一半電力銷售給客戶，成本將加倍至 $122/MWh。當然，有部分電力可以回售至市場，但通常無法以原購價出售。假設回售價格為 $35/MWh，則淨購電成本為 $87/MWh。當然，短期尖峰負載也可透過現貨市場購電，但一般價格更高。
在自發電方面，則必須計算每 kW 能源的全生命週期成本，這包括機組及其安裝場所的成本，加上燃料、運營、維護、定期大修與系統整體修繕的費用。為便於比較，假設燃料價格為 $5/MMBtu，用於中間與尖峰負載服務的 2 MW 燃氣發電機組，其發電成本約為 $55 至 $65/MWh。
當然，隨著負載曲線上升，購電成本會隨尖峰高度而增加，而自發電成本則維持固定。因此，負載曲線越高，燃氣自發電的成本優勢越明顯。若輸電限制降低了從電網引入購電的能力，這一價值優勢將進一步提升。
資源部署
簡單來說，資源部署規劃就是分析五年需求預測、比較可用資源、並決定如何最佳化滿足需求成長。解決方案很可能結合購電與自發電。主要問題包括：
- 目前有哪些電力購買合約？它們的期限多久？
- 合約到期後，是否能以合適價格再取得類似合約？
- 從發電點到用電點的輸電成本是多少？
- 目前有哪些發電資源？它們的個別與總體容量是多少？
在這些分析中，必須審查負載曲線預測，理解每日與季節尖峰。例如，圖 7 的紅點標示出尖峰需求增長最快的時段。其中一個高增長區是在清晨低需求期，此時可能能以具吸引力的價格購電；更需關注的是 6 月、7 月、8 月間的第 15 至 20 小時，當時需求於尖峰時段快速增長，正是可用具可預測成本的燃氣往復式引擎自發電的理想場景。
資源規劃需為每個發電來源分配履約價（strike price） - 將資源上線的每 MWh 成本。一般而言，只要購電成本超過履約價，就會調度尖峰資源；反之，當購電成本低於履約價，則會關閉機組。對於燃氣發電機組，設備供應商可根據特定機組、當地燃料價格、海拔、高溫條件等因素，提供可靠的履約價估算。
接下來的步驟是將資源按價格由低至高排序 - 最低成本的基載資源排在底部，最高成本的尖峰單元排在頂端。擁有多個履約價不同的單元，使得能以最具成本效益的方式，根據實際負載曲線調度供電。核心目標是找到購電與自發電資源的最佳組合，為客戶提供最大的能源保障與最佳成本。
滿足短期需求
燃氣發電機技術亦可在公用事業的應變或緊急規劃中發揮作用：承包或租賃的燃氣發電單元供應日益充足。此模式讓電力公司能在需要時隨時部署可靠電力，無論是支撐電網薄弱區域、提供季節性尖峰容量，或應對緊急或天災事件，且無需承擔長期資產擁有成本或資產負擔。
行動租賃方案簡單快捷。單機容量達 2 MW 或更高的單元可部署於電力公司或用戶端場址，便於取得許可。安裝速度極快- 多機組總容量達 50 MW 以上者，可在七天內完成交付與連接，相比之下，永久性燃氣渦輪電廠則需約七個月。
這些單元作為完整套裝出貨，具備電網並聯控制、保護繼電器、斷路器、冷卻系統、隔音外罩、排氣消音器及必要的排放控制裝置。
租賃方案提供多種融資模式，包括整月或整個租賃期內的全包定價，涵蓋排程與非排程維護、技術支援與維修。輔助設備與服務亦可納入。設備可透過供應商以應變規劃模式預約，讓電力公司在發生災難事件時擁有優先調用權。
可靠且具經濟效益的技術
技術進步讓引擎發電機組作為分散式資源更具吸引力。最新機型的功率輸出密度比過往高出多達 50%，可輕鬆安裝於小型機房或貨櫃式發電站。它們採用各種數位微處理器監控與控制技術，以提升功率密度、降低燃料消耗，並最重要地，提高可靠性。低壓燃料系統（0.5至5 psi / 0.35至35 kPa）免除了燃料加壓站的需求，使這些系統可安裝於有工作人員值守的設施內。
近年來，另一種引擎選型方式逐漸成形：用戶不再直接採購標準機組，而是由製造商根據特定應用需求量身訂製設備。在此模式中，用戶提供燃料樣品、現場高溫與海拔條件，並指定應用與主要運作目標（如最佳燃油經濟性、最低排放、整組負載能力等）。製造商則據此設計符合需求的燃氣發電機系統。
這些客製化機組帶來進一步的技術突破，擴展了引擎控制極限，達到新的效率高度 - 僅發電機組的電效率可達 46%，而汽電共生服務中的總廠效率最高可達 90%。
延長維護週期
火星塞更換與換油週期可達 4,000 小時 - 相當於六個月連續運行，超過傳統技術的兩倍。汽缸頭翻修週期通常達 32,000 小時，大修週期則為 64,000 至 80,000 小時。此外，油耗最多可減半，每年可節省約 500 加侖（1,892 公升），對於 20 缸、額定 2 MW 的機組而言，相當於每年省下 10,000 美元。當地技術人員可透過客製化維護方案，全面維護這些單元。
結論
現今的電力營運，透過部署分散式發電資源，可大幅受益。以天然氣為燃料的發電機組在這方面表現優異。若能策略性部署，不僅能為電力公司與用戶帶來經濟與可靠性效益，還能讓電力公司在競爭激烈的市場中，藉此差異化服務，獲得更強的市場地位。
本翻譯內容僅供參考，原文為《Supporting the Grid, LEXE22069-00》。如有疑義或歧異，請以原文為準。翻譯內容雖經審慎處理，但仍可能與原文略有差異，敬請理解
