2021-06-18Photo: 圖片由作者提供

綠能自發自用！「虛擬電廠」彌補太陽能、風力發電缺憾，緩解智慧城市停電危機！

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　　今年2月美國德薩斯州因極端天氣而出現大規模斷電，2018年9月日本北海道則因地震而造成大停電事故，可見城市遭受天災侵襲後，難免要面對停電危機。當碳中和成為世界各國共識，綠能浪潮已席捲全球，但太陽能、風力抑或水力發電都易受天氣影響，引致電力供應波動，所以如何讓綠能供電變得穩定，就顯得份外重要。「虛擬電廠」方案的誕生，除可緩解供電不穩的問題，更可鼓勵社區用電自給自足，有助建立能夠承受天災衝擊、具有營運韌性的智慧城市（Resilient Smart Cities）。

2021年2月中，來自極地漩渦的寒流侵襲美國德薩斯州，造成大規模停電事故，有450萬戶家庭與企業斷電，供水設施、食物供應鏈、網絡通訊設施均陷入癱瘓狀態。（圖片來源：Pixabay網站）

碳中和刺激綠能發電需求

　　先有《巴黎氣候協定》的通過，後有全球氣候峰會的承諾，目前已宣示碳中和的國家累計佔全球GDP的75％、全球碳排放量的62％以上。所謂「碳中和」（Carbon Neutrality），意指國家、企業或組織在一定時間內產生的溫室氣體排放總量，透過使用綠能取代化石能源、或植樹造林等方式，抵銷自身產生的溫室氣體排放量，以達到「零碳排放」的效果。

　　近年綠能發電增長迅速，全球發電量從2000年2,872 TWh（Terawatt-hour，十億千瓦時），倍增至2018年6,673 TWh。但在綠能市場中具領導地位的水力發電，增長反而放緩，發電量比重從2000年92.4%大跌至2018年62.8%。這是因為水力發電有地理條件限制，尋找適合地形來興建水壩與水力發電站，已變得愈來愈困難。

　　至於太陽能與風力發電，因受地形的限制較少，故以驚人的速度成長起來：前者增長516倍，全球發電量達584 TWh；後者成長39倍，發電量達1,269 TWh。參照2016年全球用電量為23,032 TWh，太陽能與風能只可提供當中的8%，可見兩者還有很大的增長空間。

大型水力發電工程中所修建的水壩，常會影響河流生態，而且在少雨季節發電量少時，水力發電站可能要暫停發電。（圖片來源：Pixabay網站）

鋰電池降價推動綠能成長

　　不過，太陽能與風能受太陽照射時間、風力變化等自然條件限制，發電量並不穩定，必需搭配儲能系統（Energy Storage System）方可讓電力輸出穩定。鋰電池擁有使用壽命長、能量密度高的特性，很適合用於儲能裝置。得益於電動車發展，鋰電池價格已從2010年的每千瓦時（kWh）1,000美元（約7,800港元），降到現時的每千瓦時186美元（約1,451港元）左右。在鋰電池價格持續下滑的情況下，預期太陽能、風能的投資成本將會愈來愈低。

　　國際再生能源機構（IRENA）指出，受惠於綠能技術成熟與儲能設備規模擴大，自2010年起太陽能成本已大降82%，陸上風電和離岸風電成本則減少39%和29%，預計2021年燃煤電廠成本可能會比大型太陽能電廠還要高出一些。

　　由是之故，市場對儲能設備的需求將會持續增加。市場研調機構IHS Markit評估，及至2021年，全球儲能設備年安裝量將首度突破10 GW（Gigawatt，吉瓦，即100萬千瓦）大關，比起2020年的4.5 GW暴增一倍以上。另一市場分析機構GlobalData預測，全球電池儲能市場可望於2025年達到110.4億美元（約861.1億港元）的規模，即是5年內增長近50億美元（約390億港元）。

風力發電站的建造費用較水力、燃媒或核能發電廠便宜很多，所以近年在綠能市場中急速冒起。（圖片來源：Pixabay網站）

太陽能受氣候、晝夜的影響很大，以致發電量極為波動，因此必須配有儲能裝置來儲存剩餘電能，以維持電力輸出穩定。（圖片來源：Pixabay網站）

綠能＋儲能催生虛擬電廠

　　當未來太陽能、風能被大量引進後，各家各戶便可透過儲能系統，補足間歇性電量不穩時的需求，如同一座「虛擬電廠」，形成分散式發電（Distributed Generation）模式。相比起燃煤、核能電廠等集中式發電，分散式發電系統主要由小型綠能發電設施所組成。人們可以在屋頂裝設太陽能板，既可實現電力自給自足，又可把剩餘電力供給中央電網使用，讓用戶也可變成供電端。

　　如此一來，城市電網將會從集中式單向輸出電力，轉變為分散式雙向供電，故此電網需具有自動調度功能，以達到用電與供電平衡。儲能系統在電網中正好擔當著「緩衝」的角色，輔助電網調度電力與提高供電穩定性。

　　2017年12月，澳洲燃煤電廠跳電造成電力供給異常，位處1,000公里外的特斯拉（Tesla）電池儲能系統，在140毫秒（0.14秒）內輸出100 MW（Megawatt，百萬瓦）電力，為中央電網爭取一定的緩衝時間，讓重啟後的發電廠機組能夠後繼補入電力，維持正常供電，將停電危機化於無形。

燃煤或天然氣的常規發電廠屬於集中式發電系統，通常需要把電力進行長距離傳輸。由小型綠電設備所組成的分散式發電系統，發電位置靠近供電區，可避免長程輸電所造成的電力耗損。（圖片來源：Pixabay網站）

各家各戶共組電力蓄洪池

　　假如我們不再完全依賴集中式發電的電廠供電，而是通過分布於各個住宅與社區的綠能發電與儲能設備互相支援，便可組成分散式智慧電網。這些住宅、社區有如城市電網的「電力蓄洪池」，平日自給自足，盡量不依賴市電供給；有需要時，則可提供剩餘電力，支援城市電網的電力調度。

　　要實現電力蓄洪池自給自足，非要建造綠能自發自用的虛擬電廠不可。相比起以往將家居太陽能發電轉售給中央電網的「躉售模式」，虛擬電廠將綠電直供至社區使用，降低社區對市電的依賴性。這樣不但可透過綠電降低用電高鋒期的電費支出，還可避免因天災意外而引發大停電——遇有突發情況，虛擬電廠便可如同一座真實的發電廠，支援城市電網，為電網運作帶來更大彈性。

日本於2016年開放電力市場，吸引不少以綠能掛帥的新興電力公司進場，東京瓦斯正是其中之一。除分散式發電的虛擬電廠外，該公司也有投資興建集中式發電的大型太陽能發電項目。位於群馬縣安中市的太陽能發電廠已於2020年1月投入服務，能夠供給63,000千瓦的綠電。（圖片來源：東京瓦斯官網）

住戶只要在屋頂鋪設太陽能發電板，再搭配儲能設備，便可讓住宅變身為虛擬電廠。目前Tesla已拿下不少虛擬電廠訂單，其主要競爭對手包括電池製造商LG化學、以及太陽能產品企業 SolarEdge與Enphase。（圖片來源：Tesla官網）

橫濱中小學變綠能供電者

　　日本新興電力公司東京瓦斯（Tokyo Gas）為橫濱市65間中小學裝設太陽能發電與儲能設備，藉由智慧能源管理系統進行電力調度管理。估計校舍日常運作會用掉20％發電量，剩餘電力則會被輸入至電力蓄洪池，以供晚間和陰天使用。如果電力蓄洪池充飽後尚有剩餘電力，就會供電給橫濱市的社區設施。東京瓦斯評估，整項計劃可每年減少大概1,700公噸的碳排放量。

　　一旦橫濱市遭逢大停電事故，這65間中小學即可變身社區的虛擬電廠，讓停電期間各項公共設施仍可維持運作。從電網營運角度來看，這些校舍不止是購買市電的顧客，還是有需要時可供緊急調度的供電者。由是觀之，虛擬電廠除有助節能減碳外，還可滿足防災救難的城市韌性（Urban Resilience）要求。

　　GlobalData指出，虛擬電廠這類併網可再生能源發電廠（Grid-connected Renewable Electricity Generation Plants）在亞太區的數量現正急速增加，主要集中在中國、韓國、澳洲、日本，預計到2025年底這4個國家的總裝機容量將達到20.45 GW。

　　隨著鋰電池價格不斷降低，讓綠能發電成本亦隨之逐年遞減，有助綠能設備與虛擬電廠方案加快普及。國際能源署（IEA）預估，到2024年綠能將超越煤炭，躍居為世界最大的發電來源，提供全球三分之一的電力。這樣全球碳排放量才可望大幅減低，避免極端天氣或珊瑚礁滅絕等災難性後果。

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