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A Taiwanese student who studied Renewable Energy in Freiburg. Now studying smart distribution grids / energy systems in Trondheim.

Looking back at 2012, the days in the earth science training group and the prelude to the rising tempest of 2013–14

It was the last train leaving childhood, the hand gesture of the conductor before departure. It was the time shown on the clock at the exit of the MRT station, before and after the night journey.

It was the mist in the mountains, the visitor center at the entrance…


歐洲電網跨境進出口問題之再釋疑

近來擁核公投在台灣越演越烈,不斷有基載至上的論者,以德國和鄰國之電力進出口,試圖論證其所慣用的基載三段論,並否定大量風光併網在台灣的可行性。對於這樣子論述的謬誤,我過去已多所說明,近日公投前再做一次完整闡明,以利國人更了解歐洲電網跨境進出口的真實情況。

一、物理流不代表電力市場的實際交易結果

首先,部分擁核者不斷提供德法「物理流」(Physic Flow)之情況,得出德國必須仰賴法國核電之結論。然而物理流僅僅描述各國跨境輸電線的電流方向,並不代表各國間實際批售電力之交易情況。德國地處歐陸中心,法國出口給其他國家的電力交易,有時必須假德國電網才能進行。

描述各國彼此實際批售電力進出口交易情況的是「商業流」(Commercial Flow);在大部分的情況下(尤其用電尖峰、太陽能電力輸出能力高的中午時段),德國都是對各國出口商業流。然而因為前述地緣關係,德法跨境物理流和商業流常常呈現不一致的情況。

2018年1月3日下午兩點,德國與鄰近國家跨境商業流(左)以及物理流(右)之情況。在該時刻德國自法國輸入物理流,然而實際上德國在該時刻是向法國出口電力。

二、跨境進出口減輕基載面臨之壓力,讓過剩核煤機組得以苟延殘喘

其次,另一部分擁核者亦從德國進出口的情況,從相反的方向攻擊,認為德國再生能源太多,並據而得出大量再生能源併網必然導致需要跨境進出口之結論。這樣的推論忽略了批售電力之進出口在歐洲電網早已是行之有年的頻繁行為;即使核電佔比非常高的法國,亦會在清晨用電低谷、批售電價相對較低的時候透過出口電力,消化國內過剩的核能基載。


核能機組基於技術和經濟性的限制,一年當中必須盡可能無時無刻地滿載發電。這樣缺乏調度彈性的特性,傳統上被核能支持者當做核能「供電穩定」的象徵。然而,核能發電對電力系統供電可靠度的影響,真的如支持者所說的那麼正面嗎?今天,我們不考慮核能本身的特有問題(核安、核廢等難題),單就其往往被過譽的供電與減碳能力,做詳盡的分析。

夏天酷熱颱風 冬天太冷 都無法正常發電

核能電廠是所有傳統電廠中,安全規範最繁瑣、升降載或啟停機限制最多的技術,因此,傳統設計的核能電廠,會是未來氣候變遷下受害最大的機組種類。在2018年以及2019年夏季的熱浪中,德法兩國的核能機群便因為高溫和乾旱造成的極端天候事件,可用裝置容量受到嚴重衝擊。法國核能機群在2019年被迫降載的裝置容量,為5.2GW,佔其裝置容量總量的8%;在未來,極端高溫和乾旱,可能讓此數值增加到9%至13%。最近一篇針對核能機組故障率的研究也指出,核能機組受極端天候事件引起的非預期性停機事件頻率,從1990年代的每年0.2次,增加到2010年代的每年1.5次。

2018年和2019年的極端高溫和乾旱,連年影響德法兩國核能機組的運作。

除了高溫以外,颱風、或者颶風的侵襲,也會影響核電廠的運作。雖然颱風或颶風來臨的用電需求通常較小,但如果廠區淹水或輸電塔倒塌,電廠運作受限的時間可能會延長,進而影響夏季正常用電時段的供電可靠度。


儲能等新式彈性選項的進場

不考慮儲能量限制的理想模型

如果假設儲能系統的儲能量沒有限制,則儲能裝置容量會試著在一年當中市場價格最低的時段充能、並移至一年中市場價格最高的時段。

在完美市場平衡的假設下,可以知道每個運轉時數對應到的傳統電廠的邊際發電成本就是該時數對應到的市場價格,同時根據零套利法則(zero profit rule),可以知道市場價格歷線左半和該傳統電廠邊際發電成本所夾的面積,就是該傳統電廠每年要負擔的固定成本。


挪威船級社(DNV)是位於挪威的科技顧問和驗證機構,旗下有各個分部,針對海事工程、能源科技、數位科技提供諮詢和驗證。每年他們都會在《能源轉型展望》報告中,針對全世界能源轉型的趨勢,做出中長期的預測。本文就來介紹2021年的報告中,對於能源供給技術的未來趨勢有怎麼樣的說法。

綠能:風光成本持續下降、主導未來能源系統

在DNV的報告中,提及太陽能已經是最便宜的新建能源選項。由於容量因數提高(到2050年,全球太陽能的平均容量因數可達26%,部分低緯度地區甚至可以超過30%)、模組成本下降,未來太陽能生命週期均化成本會持續降低,持續做為最便宜的新建能源選項。甚至,由於鋰電池成本的降低,到了2050年,太陽能搭配儲能的生命週期均化成本將可和風能競爭,也會比任何傳統發電技術來得便宜(注)。

(注:將太陽能和儲能合併計算發電成本,暗示著將「系統整合成本」完全歸因於再生能源的方法學;然而系統整合成本的高低,除了再生能源併網規模,既有傳統電廠結構以及彈性調度能力也會有影響,將其完全納入再生能源的發電成本計算,其實是對再生能源不公平的計算方式。反過來說,如果沿用此不公平的方法學比較綠能和傳統能源成本,而綠能仍較為便宜時,則代表新建再生能源的成本有效性幾無疑義。)

風能部分,因為預測容量因數提高、風機花費降低等因素,陸上風能機組從2020年到2050年的生命週期均化成本將下降43%,固定式和漂浮式離岸風能機組的生命週期均化成本也將各下降44%和80%。這會讓它們成為太陽能之外最便宜的發電選項。


歐洲日前批售電力市場針對9月23日成交價格;綠能較多的德國,成交價格明顯低於鄰國。https://twitter.com/energy_charts/status/1441089436838555659

最近歐洲的批售電價一直飆高,在一些新聞裡常常看到媒體將這個現象怪罪於再生能源。實情是入秋以來的高電價,有複合成因;除了水力能、風能發電確實欠佳之外,燃氣價格上揚、較多核能機組非預期性停機等情況,也連帶影響批售電力市場的成交價格(比如關於英國的詳細分析,便可參考這個連結:https://bit.ly/3lToafv)。

事實上,如果讀者有注意歐洲儲氣槽的進氣量狀況(https://agsi.gie.eu/#/),可以發現目前各國儲氣量明顯低於往年同一時間的平均值;由於要為冬季的供熱需求預做準備,這個時節儲氣槽的進氣量會是全年最高,因此入冬以後如果全歐的供電能力沒有好轉,情況可能會更嚴峻。

然而若欲將這樣的現象歸咎於綠能在電力系統佔比過多,是不正確的。正如過去我們在分析2020年加州限電事故、以及今年台灣的517限電事故時所指出的道理一樣:難道系統上綠能裝置容量較少,就能避免這樣的高批售電價嗎?恰恰相反,如果今天系統上沒有綠能裝置容量,那麼傳統電廠的發電量只會增加,如此也只會讓批售電力市場的成交價格變高而已。如圖所示,觀察再生能源佔比高於鄰國的德國就可以發現,綠能發電相對充裕的德國,批售電力市場成交價格就比較不受高燃氣價格所影響。

當然,變動性再生能源的發電量並非恆定,因此綠能佔比高的電力市場會有比較明顯的電價波動(圖中也可以看出來)。然而即使有更劇烈的價格波動,綠能佔比更高的電力市場平均而言的成交電價仍較低;而且對於新興的彈性資源比如電池或需量反應來說,進入市場獲利的前提和離尖峰電價的變動幅度有關,這樣的劇烈變動才有助於這些新興彈性資源更快導入市場。

總而言之,事實再簡單不過:如果想要減少或避免傳統電廠因為燃料價格波動、單一電廠非預期性停機等等對電力系統穩定性的危害,解方就是設置更多的再生能源,這樣除了減少傳統電廠的發電量,也能創造新興彈性資源取代傳統裝置容量的有利投資環境。


It is said that geometric algebra is the more natural way to describe physics. Here we show how to derive the rotation dynamics of a rigid body with geometric algebra, and see whether this is the case.

Review of What Intermediate Dynamics Have to Say

Covariant Time Derivative in a Rotating Moving Frame

In intermediate dynamics, we discuss the relation between a set of rotating orthonormal bases {b} and a set of fixed orthonormal bases {e}. They are related by a rotation tensor:

Suppose we take the time derivative of the equation above, we will have


特性成本雖然被部分唱衰能源轉型的人士講成變動型再生能源的致命傷(「系統上仍會有許多傳統電廠!」),然而從殘餘負載歷線法的成本分析中可以看出,再生能源併網後,電力系統的發電加上特性成本,會比再生能源併網前來得小,而隨著再生能源生命週期均化成本逐步下降,綠能的最佳併網容量將會持續提升。

一電力系統會依據時空背景和技術條件,有特定的最佳傳統電廠結構;有些傳統電廠較適合短時間運作(如燃氣電廠),有些則較適合長時間運作(如燃煤、核能)。我們可以根據不同運轉時數下最佳的技術組合,畫出如下圖的單位裝置容量成本曲線:

如下圖,假設定義殘餘負載為歷時的函數(RL = RL(DH))、歷時為最佳傳統電廠結構的單位裝置容量成本曲線的函數(DH = DH (C)),則某特定成本區間 [C_0, C_1] 的傳統電廠最佳設置量為 RL(DH(C_0)) — RL(DH(C_1));當成本區間趨近於0,裝置容量的微分形式可寫成


4年前我即將到德國讀碩士的時候,德國舉行了一次聯邦大選,最後梅克爾領導的基民/基社聯盟,得以和社民黨繼續執政4年,而綠黨當年則僅拿到不到9%的得票率,比左派黨還少,氣候變遷似乎成了被邊緣化的議題。

詭譎多變的執政組合可能

當時,誰也沒想到在經歷Hambach森林等眾多煤礦廠開發抗爭、除煤時程討論、氣候罷課等等重大事件後,綠黨在這4年的支持度有了爆炸性的成長(詳可見https://bit.ly/38Mb6Co)。到今年年中為止,綠黨的支持度都一直緊追在基民/基社聯盟之後,偶爾還能反超成為支持度最高的政黨。

不過,隨著9月底大選將至,策略性投票的選民陸續歸隊之後,目前民調顯示的是史上變數最大、可行執政組合最詭譎多變的一次聯邦大選:按照目前的支持度換算,沒有任何兩個政黨能夠單獨組成執政聯盟,可行且在邦政府層級出現過的執政聯盟包括:由社民黨、綠黨、左派黨組成的紅紅綠聯盟,以及由基民黨、綠黨、自民黨組成的牙買加聯盟;其他前所未聞的可能性還包括由社民黨、綠黨、自民黨組成的紅綠燈聯盟,由社民黨、基民黨、綠黨組成的紅黑綠聯盟,以及基民黨、自民黨、另類選擇黨組成的禁忌聯盟等等排列組合(這根本是高中數學經典教材?)……讀到這邊大概可以想像,目前德國社會上對這次選舉的討論風向,有多繁雜而混亂。

德國第一公共電視台九月初公布之大選民調

對能源轉型的影響?

根據能源轉型智庫Agora Energiewende(https://bit.ly/2WWSWLZ),新政府在執政百日內必須確立的氣候政策包括:對化石燃料和高碳排產業的轉投資、宣布2030年以前電力部門全面除煤、宣布2045年以前全面禁止化石燃料的使用、制定政策以讓陸域風能設置速率提升至目前的3倍、加速離岸風能建置、制定政策讓太陽能在2030年以前成長為目前的3倍等等。

綠黨和左派黨是目前所有政黨當中,提出的氣候與能源政策最符合前述建議的兩個政黨(https://bit.ly/3jKy9DY)。比如說,同樣和綠黨提出2030年全歐電力部門除煤的,只有左派黨;兩個政黨也同樣訂出2030年全面禁止新燃油車上路的時程;左派黨在氣候中和的期程制定得比綠黨前面(2035年),綠黨則有電力部門達成100%再生能源的具體時程(2035年)的條件下,相對應的氣候中和時程(「20年以內」)。不過,由於左派黨有些地方勢力支持德俄天然氣管線Nord Stream二號的興建,這會不會讓左派黨若果執政後,在燃氣轉綠氫議題陷入兩難,是筆者的一大疑慮。

另一方面,目前支持度最高的兩個執政黨,基民/基社聯盟和社民黨,都沒有打算提前德國國內法定除煤時程(2038年)的打算,也沒有加速2030年以前綠能設置的具體承諾。基民/基社聯盟本次大選主要政治人物在氣候議題上也屢屢失職/失言:他們的總理候選人Armin Laschet身為北威邦首長,該邦在七月下旬極端天候事件造成的洪患中災情慘重;他的重要左右手Friedrich Merz則在日前表示歐盟碳邊境稅的計畫「毫無道理」(https://bit.ly/3jN7RBk)。

這麼看來,綠黨近期支持率的小跌,對於德國能源轉型政策的未來有些微不利(對德國的台灣政策亦同,因為綠黨算是德國國會中對台灣最友善的政黨)。不過,和4年前相比,綠黨這次的得票率可望成長到原本的兩倍,這已經能替德國國會注入更多關於能源轉型的聲音;更重要的是,環境與氣候議題仍是德國人心目中德國最重要的議題(https://bit.ly/38KW0gJ),因此長期來看,可以預期各個主流政黨受此大時代氛圍影響,將繼續走向更積極的氣候政策(為反而反的抗議型政黨另類選擇黨除外;附帶一提,它是德國國會六個政黨中唯一高舉擁核擋綠口號的政黨)。


前幾天翻了阿公的遺物,發現這本他上國民學校高等科時代的出版物。裡面內容大多是明治維新以來日本天皇在對外宣戰(對清、對俄、中日戰爭、太平洋戰爭等等)時的下詔。該書在台灣歷史博物館似乎有登錄

有趣的是,書背上寫著阿公的中文名字以及另一個日文名字,讓人不免懷疑這是否就是他生前曾經說過的日本老師替他取的日文名字?

Tony Yen

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