Tony Yen

輸電系統再次發生類似16年的事故,但這次南澳的綠能和儲能已經準備好了

6年前,2016年9月28日,由於連接南澳和維多利亞州的輸電線因雷擊故障,造成南澳陷入孤島運轉,頻控不及,最後幾乎全州陷入停電,尚需全黑啟動。

那時,再生能源在南澳電力系統的占比「僅」40%左右,俗稱「特斯拉大電池」的Hornsdale Power Reserve也尚未啟動,大規模停電事故被能源轉型唱衰論者炒作成綠能太多的結果。所幸,南澳的能源政策並未因此出現重大變動,隨後綠能、儲能持續成長:今年10月南澳電力系統綠能占比已超過7成,而和「特斯拉大電池」規模相若甚至更大的電池系統也陸續開工、上線(近期一座250MW的電池系統即將建成)。持續能源轉型不放棄的結果,是更可靠且彈性的電網。

在11月12日16:40左右,南澳再次遭遇了和16年9月28日類似的電網事故:當時南澳和維多利亞州連接的輸電線全數故障跳脫,霎時進入孤島運轉。

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公共水利設施設置漂浮式太陽能的效益

當全台太陽能裝置容量已經逼近10GW時,一座100MW量級的案場能否順利開展,不論就客觀上還是情感上,我已經能用比較淡然的心態看待。但透過這樣子的事件,健全一些對於漂浮式太陽能的理解和合作方式,以求減少未來類似案件失敗的風險,還是有積極的意義。 — 台南七股的大潮溝光電案,近日爆出政治危機。我認為相較於傳統電廠而言,綠能政策的性質就是同時會出現複雜多樣的個案,過度執著於單一案場,沒有太大的必要性;或者說,當全台太陽能裝置容量已經逼近10GW時,一座100MW量級的案場能否順利開展,不論就客觀上還是情感上,我已經能用比較淡然的心態看待。但透過這樣子的事件,健全一些對於漂浮式太陽能的理解和合作方式,以求減少未來類似案件失敗的風險,還是有積極的意義。 漂浮式太陽能與公共水利設施運作的關聯 太陽能案場如果建置在水利設施上,對於水利設施的運作有哪些影響?首先,大部分的文獻都指出,在水體表面設置遮蔽物,能有效減少水利設施的蒸發速率[2];蒸發量減少能減輕水利設施出水量限制,進而增加水利設施運作的調度彈性。另一方面,漂浮式太陽能需占用一定比例的水表面積,對水體最低水位產生限制,遮蔽率過高的情況下反有可能減少水利設施運作的調度彈性。

公共水利設施設置漂浮式太陽能的效益
公共水利設施設置漂浮式太陽能的效益

當全台太陽能裝置容量已經逼近10GW時,一座100MW量級的案場能否順利開展,不論就客觀上還是情感上,我已經能用比較淡然的心態看待。但透過這樣子的事件,健全一些對於漂浮式太陽能的理解和合作方式,以求減少未來類似案件失敗的風險,還是有積極的意義。

在經濟與生態效益權衡下,尋求公共水利設施設置漂浮式太陽能最佳設置量的示意圖。引自[1]。

台南七股的大潮溝光電案,近日爆出政治危機。我認為相較於傳統電廠而言,綠能政策的性質就是同時會出現複雜多樣的個案,過度執著於單一案場,沒有太大的必要性;或者說,當全台太陽能裝置容量已經逼近10GW時,一座100MW量級的案場能否順利開展,不論就客觀上還是情感上,我已經能用比較淡然的心態看待。但透過這樣子的事件,健全一些對於漂浮式太陽能的理解和合作方式,以求減少未來類似案件失敗的風險,還是有積極的意義。

漂浮式太陽能與公共水利設施運作的關聯

太陽能案場如果建置在水利設施上,對於水利設施的運作有哪些影響?首先,大部分的文獻都指出,在水體表面設置遮蔽物,能有效減少水利設施的蒸發速率[2];蒸發量減少能減輕水利設施出水量限制,進而增加水利設施運作的調度彈性。另一方面,漂浮式太陽能需占用一定比例的水表面積,對水體最低水位產生限制,遮蔽率過高的情況下反有可能減少水利設施運作的調度彈性。

兩種效應相互權衡,只要漂浮式太陽能沒有遮蔽絕大部分的水體,其對於水利設施運作的負面影響是輕微的[1];而蒸發量減少、讓我們能對水資源進行更有效的利用,則絕對是漂浮式太陽能的一大優勢。

在大潮溝光電案,有兩個額外的特點需要考慮:其一,大潮溝引入的水資源為海水[3],蒸發量減少的正面效益較需引入淡水水體的水利渠道來得小,但對任何水利設施而言,水位控制仍屬必要,根據潮汐引排海水的渠道自不例外。

這也帶來第二個特點:大潮溝中有私人養蚵產業的既成事實,已經對水利設施的運作產生一定程度限制[4],現在如果在水體上方裝設漂浮式太陽能,和既有養蚵產業進行整合,方能減少對水利設施運作的額外限制,最大化土地利用效率[5]。這類型的個案,凸顯利用漂浮式太陽能對水利設施進行複合性利用的潛在優勢。

漂浮式太陽能和水利設施複合性利用的優勢,在已進行水力發電的水庫中也可看出-如果和既有的輸電設備整合成功,我們就可以減少部份設備建置的成本,而倘若該水庫還兼具抽蓄水力發電的功能,整個系統就可視為一座綠能和儲能設施進行搭配的混合式電廠。

漂浮式太陽能與公共水利設施水質管理的關聯

在[1]、[2]跟[6]當中,都有指出漂浮式太陽能(或者類似的遮蔽物)增加水體遮蔽率達一定程度後,降低光合作用、減輕藻類滋生的正面效益-藻華大範圍阻擋進入水體的陽光、從而導致優養化的風險能因此降低[7]。當然,如果漂浮式太陽能對水體產生過度的遮蔽,致使水體中其他的營養物質在正常條件下仍無法被充分分解,則有增加優養化風險的可能[8]。

由於水體接收紫外線的程度受影響,設置漂浮式太陽能後,水質要求較嚴格的水利設施,可能需增加強後續處理中的殺菌能力。在[9]中有提到,漂浮式太陽能的水體遮蔽率不超過30%時,對水庫水質管理不會產生額外的負擔。[9]中也有提到,太陽能設施的材質滲入水體帶來的重金屬污染微乎其微,在水庫正常水質管理下可被接受。

很明顯地,只要不過度遮蔽水體,漂浮式太陽能不僅不會顯著影響水質,還有拮抗藻類過份繁殖的正面效益。如果在此之上,還要再增加單一漂浮式太陽能案場的裝置容量,可能就需要加強水利設施水質管理的能力(對養殖業來說亦可降低養殖密度),或者選用透光性較強的太陽能板。這時的權衡就和討論農電共生時類似-雖然以單一案場而言,太陽能發電量可能因而受限[10],但只要整體國土的角度來看土地利用效率增加,漂浮式太陽能政策仍具有其合理性。

除了公共水利設施之外,台灣人口凋零的趨勢如果持續,農漁產業用地使用量或使用密度,未來應該會逐步下滑。此時,在這些經濟生產衰退的土地上,以友善生態的方式進一步增加太陽能裝置容量,會是兩種產業的轉型過程中一條可以追求的道路。但要走向這樣的道路,擺脫太陽能在正常人類地景中屬於「不自然」的設施的認知,是必要條件-這在都市或農漁村的土地規劃皆適用。

本文載於媽媽氣候行動聯盟粉專上。

注釋

[1] J.Haas等,Floating photovoltaic plants: ecological impacts versus hydropower operation flexibility。Energy Conversion and Management,2020年。

[2] G.Exley等,Scientific and stakeholder evidence-based assessment: Ecosystem response to floating solar photovoltaics and implications for sustainability。Renewable and Sustainable Energy Reviews,2021年。

[3] 林吉洋,水源命脈也要蓋光電?七股大潮溝百頃海田陷危機,居民怒吼撤案,官方互踢皮球。上下游,https://www.newsmarket.com.tw/blog/175954/

[4] 在聯合報一篇新聞中有提到「國有財產署常年以來以會影響排水等理由拒絕養殖戶在大潮溝上養殖」,雖然根據[3]國財署目前「任由蚵農在大潮溝上放養,彼此相安無事」。謝進盛,七股大潮溝種電藍綠怒轟 是否撤案市府一周內決定。聯合新聞網,https://udn.com/news/story/7323/6667814。

[5] 我認為這裡應該用[2]所提出的反事實論證法來思考:如果不是在這個已有養蚵產業的水利設施上裝設漂浮式太陽能,而是在沒有私人利用的另一座水利設施上搭設,對那座水利設施運作的影響會是如何?權衡下來,即使光電對目前這個設施上產生無法再行排除的額外運作限制,也可能有裝設的合理性。不過,從[1]的結果類推,大潮溝一案的光電遮蔽率,應不致於對水利設施運作產生顯著影響。

[6] Qasem Abdelal,Floating PV; an assessment of water quality and evaporation reduction in semi-arid regions。International Journal of Low-Carbon Technologies,2021年。

[7] 根據維基百科英文版的定義,優養化同時可指稱水體累積過多營養,或者水體因營養過多產生大量藻類孳生的現象。這篇文章使用前者的定義,但兩個現象都做考慮。

[8] 在[2]中還有有舉出更多漂浮式太陽能可能影響優養化的因素與機制,包括水中溶氧量和溫度的互動:比如厭氧環境下,較低的溫度有助於含氮養分的分解,降低優養化的發生,因此漂浮式太陽能底下的水體如果進入厭氧條件,也有機會減少優養化的風險。但水化學方面的文獻回顧[2]大多以冰層遮蔽的研究做討論,副熱帶地區太陽能板的遮蔽是否有類似的效應,值得商榷。

[9] D. Mathijssen等,Potential impact of floating solar panels on water quality in reservoirs; pathogens and leaching。Water Practice and Technology,2020年。

[10] 因為水體能在陽光充足時降低太陽能板的表面溫度,單位太陽能板面積的光電轉換效率會有所提升,較小程度地弭補總面積受限的不足。

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如果電池的成本和建置速率的大趨勢不變,那麼電池系統是有可能進一步供應時間尺度更長的彈性能力,減少長期性儲能的需求。這過程中,不論成本還是規模,都不會構成阻礙。

有很長一段時間,我一直認為電池做大規模佈建、提供小時尺度彈性能力的時間點,離當前還有段距離。當下更重要的,反而是提供電池參與備轉容量等輔助服務市場的支持性政策。

然而從台灣儲能產業參與備轉容量市場的規模超乎預期、乃至全球電池設置量在2022年的亮眼成績(儘管鋰的成本墊高)等種種消息浮現後,必須要指出我過去對於電池跳脫輔助服務、大規模提供小時尺度彈性能力的時程預測,至少在綠能已經有一定規模的國家或地區中,已經有些保守。

風能、光能、電池的歷年成本降幅。圖片來源見[1]

我認為過往關於儲能在能源轉型中後期角色的討論,有兩個疑慮:一是成本、另一是規模。如果要達到高佔比甚至100%再生能源的能源系統,這兩個疑慮都必須處理。

然而實際上的趨勢是,鋰電池的設置成本不斷下降,而且規模月大的電池儲能系統,單位充放電量的均化成本也會下降[2]。這代表,當儲能開始提供更長時間尺度的彈性能力時,能用比現在更便宜的價格,在系統中和其他彈性資源競爭。

至於規模的部分,100%綠能的能源系統中需要GW等級的儲能規模,無庸置疑。然而相比再生能源發電機組本身,建置同樣量級的儲能規模並不會更困難。我們以最近剛落成、目前全德最大的Wartburg鋰電池儲能系統為例,這座60MW/67MWh的儲能系統,從空拍圖推測整個系統佔地大約1000平方公尺(以照片中的汽車作為比例尺)。與之相較,如果這座電池儲能系統上方設置太陽能板,其裝置容量的量級會落在100kW;從每支4MW左右的陸上風能機組也可以推測,相同土地面積上能裝設的風能機組,量級大約落在MW級。由此可知,不論是要和風能還是太陽能搭配,儲能系統要達到GW級以上的規模,所需要的空間規劃會小很多,而且很多情況下可以在相同的空間中進行整合。

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有很長一段時間,我一直認為電池做大規模佈建、提供小時尺度彈性能力的時間點,離當前還有段距離。當下更重要的,反而是提供電池參與備轉容量等等輔助服務市場的支持性政策。

然而從台灣儲能產業參與備轉容量市場的規模超乎預期、乃至全球電池設置量在2022年的亮眼成績(儘管鋰的成本墊高)等種種消息浮現後,必須要指出我過去對於電池跳脫輔助服務、大規模提供小時尺度彈性能力的時程預測,至少在綠能已經有一定規模的國家或地區中,已經有些保守。

風能、光能、電池的歷年成本降幅。圖片來源見[1]

這樣子的認知修正,對於能源轉型政策的意涵為何?就市場價值的角度來說,電池儲能的大規模佈建,和再生能源的大規模發展有密不可分的共生關係;短期內推動兩者魚幫水水幫魚的正回饋機制仍是首要政策任務,不會因為電池的成本下降或建置速度超出預期而有改變。然而,向上修正儲能增設潛力,可以讓我們提早討論利用電池有效削減年殘餘負載的可能性-以台灣目前的用電特性和太陽能發電特性來看,6小時左右的放能時間大約可以削減2GW左右的年殘餘負載尖峰,而這大概是單個電池系統目前提供小時尺度彈性能力的極限。

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《Lycoris Recoil》第11集最讓我感到不自然的地方,在於社會大眾得知地下少女殺手團體DA的存在後的反應。至少在我的原生社會裡,恐懼大概是次要的聲音,一般鄉民的直覺反應應該會是聲援DA、譴責被DA殺掉的人罪有應得、順便詛咒廢死團體成員和親朋好友之類的吧。

這種不自然的違和感應該是為了收尾時給出「DA做為必要之惡的正當性」這樣支線論述所先營造的情緒。在這條支線上,這部動畫的結尾大概是給不出突破《Psycho Pass》的創新了,不過我還是期待主角擺脫宿命的主線部分能當之無愧地成為《Estab-Life: Great Escape》的精神續作(是說左膠聖母們都會跑去咖啡店打工嗎?)。

「製造違和感」在渲染情緒上的重要性,大概等同反證法之於數學證明。比如說《Eden Zero》有一段一群持槍搶劫賭場的犯罪集團被雷射衛星燒光的劇情,明明罪大惡極、死有餘辜應該是最政治正確的鄉民式正義,但感受到配音跟主角們恐懼的表情時,每個人心中被壓抑的那隻抗拒應報理論的恐龍法官或多或少會短暫浮現出來。

一道情緒上的反證命題於是浮現:如果我們認同鄉民式正義是正確的,我們也必須認同持有雷射衛星的權力是正義的-即使它背後代表的是給這顆行星最多迫害和暴力的財閥。在現實中類似的情況就是:對口國執政者來說,拒絕急統的台灣人罪大惡極的程度,大概跟重大刑案犯罪者相同,或甚更嚴重-對幾條人命的傷害,能跟對偉大民族復興的阻礙相比嗎?

當然,《Eden Zero》所屬的少年動漫傳統上對於直覺式的鄉民式正義的散播也有很大的貢獻。這也是(在那些時不時出現的恐同恐跨橋段之外)我對於這類作品有些疑慮的原因,即使是《斬!赤紅之瞳》等政治立場上最基進的作品,我仍擔憂對人進行非黑即白的兩極分類是否會影響現實中的判斷,並盡量提醒自己留意那些劇情中暗示的灰色空間(注)。對個人、組織、或政權的行為和決策進行道德評價是重要的,但同樣重要的是將灰色空間中的人們推往善念與善行的具體機制,而一個社會如果只能訴諸暗殺和暴力革命來達成這樣的目的,是非常不幸的。我們必須盡可能避免現實陷入這樣的惡性循環中。
(注:在《斬!赤紅之瞳》我想到的例子,比如獵人部隊中,自詡正義並貫徹六法全書唯一死刑的賽琉,或者棄明投夜前濫殺無數無辜平民和政治犯的赤瞳)

歸根究柢,問題在於我們是否能回答:對政府、營利組織、非營利組織、個人來說,哪種貫徹正義的方式才是正當的?《下流梗不存在的灰暗世界》給的答案是,體制外反抗的正當性源自對廣泛大眾的啟蒙(enlightenment)與賦能(empowerment):SOX在各種性教育的知識與實踐素材外,並不會給予具體的作戰命令或思想指引,而是相信取得新的知識與實踐能力的眾人,能夠自發性地給周圍帶來影響;與之相反地,是要求成員不斷偷取並上繳他人內褲以供教主品嘗、無法接納其他種類性癖的恐怖主義組織。

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德國電網壓力測試結果:三部核能機組延長使用與否對電網穩定影響甚小

經濟與氣候部目前的決策為3部機組原則上年底後不再運轉,但其中兩部機組在明年4月中以前暫做備用機組,若電網出現極端事件時,方有可能啟動。 — 由德國聯邦經濟與氣候部所做、眾所期待的電網壓力測試結果近日出爐[1]。如同之前我的文章所說明,這次壓力測試主旨為定量分析「將運轉中3部核能機組延長至明年對電網穩定的影響」。壓力測試的最後結論:3部機組延長使用與否,即使在非常嚴峻的條件下對電網穩定的影響仍甚小,因此原則上年底後3部機組不會延長運轉。然而考慮今年冬天的能源危機較為特殊,3部機組其中兩部在年底停機到明年4月中之間暫做備用機組,在極端事件發生時,方能啟動做短期應援。 核能機組不具調度彈性 對彈性資源的缺口貢獻不大 壓力測試最有趣的定量結果,在於3部核能機組對德國電網彈性資源的貢獻度。 壓力測試使用的非常嚴峻和極端情境中,法國核能機群入冬後仍有多數機組無法使用、其他備用機組上線的規模不如預期、水位枯竭持續影響硬煤機組運轉、德國南部燃氣機組可用率低落、供熱需求增加造成殘餘負載尖峰增高。這將造成非常嚴峻情境中,德國電網中可即時性平衡供需情況的彈性資源[2]出現5.1GW的缺口,需仰賴跨境電力交易弭補。此時,即使3部核能機組皆仍在線上,由於本身不具調度彈性,僅能減少0.5GW的彈性資源缺口。這印證了我們過去常常強調的能源轉型重要觀念:像核能這樣無法迅速啟停或頻繁升降載的不彈性電廠,在再生能源日益成長的電力系統中,能提供的貢獻會越來越小。

德國電網壓力測試結果:三部核能機組延長使用與否對電網穩定影響甚小
德國電網壓力測試結果:三部核能機組延長使用與否對電網穩定影響甚小

經濟與氣候部目前的決策為3部機組原則上年底後不再運轉,但其中兩部機組在明年4月中以前暫做備用機組,若電網出現極端事件時,方有可能啟動。

德國聯邦經濟與氣候關於壓力測試結果所做之圖卡。https://twitter.com/BMWK/status/1566865760441475073

由德國聯邦經濟與氣候部所做、眾所期待的電網壓力測試結果近日出爐[1]。如同之前我的文章所說明,這次壓力測試主旨為定量分析「將運轉中3部核能機組延長至明年對電網穩定的影響」。壓力測試的最後結論:3部機組延長使用與否,即使在非常嚴峻的條件下對電網穩定的影響仍甚小,因此原則上年底後3部機組不會延長運轉。然而考慮今年冬天的能源危機較為特殊,3部機組其中兩部在年底停機到明年4月中之間暫做備用機組,在極端事件發生時,方能啟動做短期應援。

核能機組不具調度彈性 對彈性資源的缺口貢獻不大

壓力測試最有趣的定量結果,在於3部核能機組對德國電網彈性資源的貢獻度。

壓力測試使用的非常嚴峻和極端情境中,法國核能機群入冬後仍有多數機組無法使用、其他備用機組上線的規模不如預期、水位枯竭持續影響硬煤機組運轉、德國南部燃氣機組可用率低落、供熱需求增加造成殘餘負載尖峰增高。這將造成非常嚴峻情境中,德國電網中可即時性平衡供需情況的彈性資源[2]出現5.1GW的缺口,需仰賴跨境電力交易弭補。此時,即使3部核能機組皆仍在線上,由於本身不具調度彈性,僅能減少0.5GW的彈性資源缺口。這印證了我們過去常常強調的能源轉型重要觀念:像核能這樣無法迅速啟停或頻繁升降載的不彈性電廠,在再生能源日益成長的電力系統中,能提供的貢獻會越來越小。

值得注意的是,針對壓力測試結果的問答集指出上述情境發生機率甚微,而且即使核能機組皆延長運轉,電網顯然仍需要其他介入措施才能應對這些情境。

由於這樣的定量結果,經濟與氣候部目前的決策為3部機組原則上年底後不再運轉,但其中兩部機組在明年4月中以前暫做備用機組,若電網出現極端事件時,方有可能啟動。兩部被列為備用的核能機組皆位於德國南部,因為那邊冬季風能較差、且南北輸電網連結尚未完成,是今年冬季供電風險較高的地區。

延長使用核能對燃氣需求的影響同樣很小

前面說明就彈性資源而言,核能的貢獻甚小。關於德國是否延長使用核能的辯論中,節省燃氣需求則是另一個常見論點,但問答集中指出延長使用3部核能機組,只能減少0.9TWh的德國燃氣發電,約佔德國燃氣需求的千分之一。亦即,不論從提供彈性資源或燃氣需求減量等兩大面向來考慮,延長使用3部核能機組與否皆沒有顯著差異。

更多綠能、彈性需求與健全電網等措施 降低明年冬天供電風險

在針對壓力測試結果的問答集提到,今年冬天確實是較為特殊的狀況,而2023/24年冬天德國電網上的情況將大為不同。在2023/24冬天時,德國的生質能發電能力將提升2GW(主要透過彈性化發電時程,將發電能力集中在冬季來達成)、太陽能將提升9GW、陸域風能也會以現有的1.5GW量能為基礎加速設置。德國的電網業者也將持續從需求端尋求解方,擴大目前既有的1.5GW到3GW之間的彈性需求規模-尤其在電價持續增高的情況下,經濟與氣候部預估需求端管理的重要性將加強,工業用電的彈性潛力也更有機會充分發展。電網部分,明年除了會完成350公里的輸電網外,法規改善以及相位調節器(Phasenschieber)的引入,能優化電網的調度並且允許調度業者對電力潮流進行更直接的控制。

當然,也有其他爭議性高的短期性應急措施-包括保有部分燃氣機組改用燃油發電、緊急狀況下調度備用的燃煤和燃油機組、新燃氣接收站完工等等。屆時,供電可靠度不會是德國最應當關注的事情,焦點反而應該放在如何盡可能降低各種短期性應急措施的氣候影響。

至於核能在2022年4月中之後在德國的角色,問答集最後做了清楚的說明:續用核能只會增加核安風險與核廢處理的難題也所費不貲。對氣候和環境、甚至是當前的能源危機來說,再生能源這樣的潔淨能源,才是最佳答案。

注釋

[1] https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Downloads/F/faq-zweiter-stresstest-massnahmen-sicherung-stromnetz-stabilitat.pdf
[2] 針對壓力測試結果的問答集中使用”Redispatchbedarf im Ausland”一詞,直翻為「來自境外的再調度需求」。

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極端天候事件是電力系統陷入高風險的先決條件,但最後演變成大規模限電,不夠彈性的電力調度和區域性供需失衡,才是主要原因。

中國的四川重慶前些時候大規模限電連續數日,不僅工業生產停擺,民生用電亦受影響。相較於台灣電力系統在過去遭遇的數次事件,中國這次的「有序用電」,當然是比較符合台灣常在吵的「缺電」的定義(預先規劃且頻繁地強制抑低用電),而事件起因表面上也是極端天氣事件造成的高溫乾旱,致使四川重慶的水力發電量不足。

然而能源與乾淨空氣研究中心(Centre for Research on Energy and Clean Air)首席分析師Lauri Myllyvirta在推特上指出[1],即使考慮水情限制後,華中電網內的可用水力發電和燃煤發電裝置容量仍遠高於電網中的尖峰負載。而四川水力發電主要出口地-華東電網下轄的核煤水氣機組總裝置容量也仍略大於尖峰負載,如果盡可能地全數投入發電,該地區所需的進口電力不會像現在那麼多。

僵化的合約和電價 造成無效率的資源配置

統整Myllyvirta分享的數篇相關文章提到的資訊之後,我們可以大致勾勒出此次川渝地區大規模且長期性限電的前因後果-誠然,極端天候事件是電力系統陷入高風險的先決條件,但最後演變成大規模限電,不夠彈性的電力調度和區域性供需失衡,才是主要原因。這體現在兩點上:一方面,由於僵化的電力進出口合約,使得四川即使面臨限電,華中電網仍出口大量電力供與華東電網。另一方面,Myllyvirta推測華東電網下轄的煤氣電廠可能因為燃料成本過高、不足以從電價收益中回本,而不願投入發電[2]。

僵化的電力調度結果便是無效率的資源配置:四川的水力發電被優先配與沿海省份的工業用電而非自己內部的民生用電,同時沿海省份也沒有利用充裕的煤氣電廠減少四川的民生用電削減量。我們實難想像,即使在貧富差距極大的中國,沿海工業用電的邊際效益或煤氣電廠的邊際成本,會高於四川民生用電的邊際效益。

當然,如果按照西方坦克派(tanky)對中共的美好幻想做推論,也許會把這樣的限電,看成是中國政府不惜一切代價也要避免啟動煤氣電廠的一種減碳宣示。即使如此,干涉市場後,各省限電的優先順位仍充分反映了在缺乏公民社會和民主治理下,國家機器對不同區域民生福祉熟輕孰重的權衡結果,而這種結果是既無效率又不正義的

太陽能在這次限電事件的角色?

一個在這次限電事件中較少被討論的是太陽能本可對供電可靠度提供的貢獻。四川是中國各省中,太陽能設置總量的末段班;這不免讓人思考假如此次事件發生時,四川有更多太陽能設置,是否能有助於緩解限電的規模與長度。

由前所述,此次大規模限電主要來自配給出口的水力發電排擠掉可供應本地的發電餘額,係屬於總發電量受限的狀況。因此,即使沒有搭配同樣規模的儲能,更多的太陽能發電本身就可以減少限電程度(道理類似台灣去年517限電事件我做的分析[3])。過去四川太陽能設置較少可能是基於歷史性氣候資料所做的判斷,但未來極端天氣事件漸趨常態的情況下,太陽能在這樣連續數日高溫無雨的狀況下對本地電力供給的貢獻,理應納入考量

中國各省太陽能設置量。圖片來源[4]。

另一個值得討論的點是,四川境內有諸多多晶矽生產廠,限電短暫性地影響多晶矽的供應,近期內對太陽能板的製造成本應該會有負面影響。這樣的情況再次讓我們看到能源轉型過程地緣政治的重要性,以及歐美印太等民主陣營諸國自行發展重要轉型技術產業鏈的必要性

大興核煤會是解方嗎?

我們可以預期在這一次限電事件之後,中國官方會再次宣布另一波核煤機組的建設規劃。

撇開核能機組建設耗時甚久且花費甚高、燃煤機組面臨減碳和閒置資產風險等等老生常談,今夏法國核能機群近6成機組降載停機的窘況[5],揭示了仰賴內陸核能機組可能產生的系統性風險,這在氣候變遷下只會加劇。

更重要的,我們應該認知到,大興核煤一直以來都是中國官方的電力政策(儘管實際成效往往不如原定規劃[6]),而這樣的政策不僅沒有解決其國內的電力供需失衡問題,某種程度上反而產生危害。比方說,過去電力政策因為著重在核煤等基載電廠、以及與之搭配的跨省超/特高壓輸電網的開發上,除了排擠掉部分發展再生能源的量能,也系統性地輕忽單一省內區域電網或配電網建設,相對地限制了配電網級或用戶級供電和彈性資源的發展,並掩蓋了進一步改良電力市場和電力進出口合約等促進調度彈性的討論。

中國限電,與台灣何關?

這次中國大規模限電事件中台灣人印象最深刻的,或許是一些赴中台商好聲好氣地乖乖配合中國祭出的各種政策的姿態,這和過往台灣偶爾發生不足一天的局部限電時,他們就張牙舞爪恐嚇出走的樣子真有天壤之別。這些赴中台商如果能用對待中國政府時表現的良善態度一樣,配合台灣正在規劃的綠能、儲能義務等兼具穩定供電又能減碳的政策,不知該有多好!

另外,在極端天氣事件日趨常態下,台灣的電力系統顯然也不能置身事外;去年的517限電事件,就同樣是在水情嚴峻下產生的。關於這點,我們必須持續地強調,加速發展風能和太陽能是降低總發電量受限的風險最好的方法。尤其台灣水力發電佔比不高,在接下來幾年應該就會退為次要的綠能,其對電力系統的功能將越來越集中在彈性上,517事件再次發生的風險便可望降低。在台灣太陽能發電量持續創下歷史記錄的當前,我們不應也不能回頭或踩剎車了。

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歐洲電力系統正面臨市場失靈的問題嗎?

不久前,我在〈面對歐洲電力市場價格波動最佳解方:更多再生能源與跨域整合〉一文中指出歐盟能源管制機關合作總署(ACER)對近期歐洲電力市場價格居高不下的觀點:市場機制本身並沒有異常,甚至發揮平衡供需、增進供電可靠度的功能。然而這樣的論點並未足以服眾,歐盟一直有改革電力市場的聲音。 — 除了短期性危機以外,再生能源占比增加對電價的長期性影響,也加深電力系統面臨市場失靈的疑慮;國際再生能源總署近期《為轉型重組電力系統》(RE-organising power systems for the transition)的報告中便指出競價效應抑低電力市場的批售電價,可能造成再生能源獲利不足,因此需要在改良既有的短期批售電力市場成彈性市場之外,另外確保一種長期性購電機制來維持可靠的獲利(即我許久前的文章〈能源轉型中,電力市場將如何運作?〉所言的兩種市場並型的觀念)。 然而,並不是所有的人都同意這樣的觀點。從簡化的經濟學模型可以證明,需求端有一定程度的彈性後,單一的批售電力市場本身就可以讓再生能源透過電能價值取得足夠獲利(定性的說明在我之前的文章〈再生能源太多會成為零利潤的「垃圾電」?論綠能與彈性資源的共生關係〉有介紹)。這讓有些正統經濟學背景出身的能源經濟學者對於任何提倡市場設計變革的論述都有所反感:既然現存的批售電力市場是理論上最佳的設計,為何還需要畫蛇添足?

歐洲電力系統正面臨市場失靈的問題嗎?
歐洲電力系統正面臨市場失靈的問題嗎?

不久前,我在〈面對歐洲電力市場價格波動最佳解方:更多再生能源與跨域整合〉一文中指出歐盟能源管制機關合作總署(ACER)對近期歐洲電力市場價格居高不下的觀點:市場機制本身並沒有異常,甚至發揮平衡供需、增進供電可靠度的功能。然而這樣的論點並未足以服眾,歐盟一直有改革電力市場的聲音。

除了短期性危機以外,再生能源占比增加對電價的長期性影響,也加深電力系統面臨市場失靈的疑慮;國際再生能源總署近期《為轉型重組電力系統》(RE-organising power systems for the transition)的報告中便指出競價效應抑低電力市場的批售電價,可能造成再生能源獲利不足,因此需要在改良既有的短期批售電力市場成彈性市場之外,另外確保一種長期性購電機制來維持可靠的獲利(即我許久前的文章〈能源轉型中,電力市場將如何運作?〉所言的兩種市場並型的觀念)。

國際再生能源總署《為轉型重組電力系統》報告中提出的電力市場設計,包含長期購售電市場和短期彈性市場。

然而,並不是所有的人都同意這樣的觀點。從簡化的經濟學模型可以證明,需求端有一定程度的彈性後,單一的批售電力市場本身就可以讓再生能源透過電能價值取得足夠獲利(定性的說明在我之前的文章〈再生能源太多會成為零利潤的「垃圾電」?論綠能與彈性資源的共生關係〉有介紹)。這讓有些正統經濟學背景出身的能源經濟學者對於任何提倡市場設計變革的論述都有所反感:既然現存的批售電力市場是理論上最佳的設計,為何還需要畫蛇添足?

我認為,歐洲批售電力市場在眼前的能源危機中,並沒有顯著的「市場失靈」問題,但對正常運作的市場結果進行一定程度的干預、或者對其重新設計,在某些條件下還是會有正當性。

先說為何「市場失靈」不存在-目前批售電價的增高,反映了歐洲能源供給的稀缺性(源自於法國核能機組故障和進口燃氣的減少),這符合市場設計時預期的供需平衡和結清價格關係。這種情況和目前中國境內部分省份因為水力進出口合約過於僵化,造成裝置容量充足卻仍無法滿足境內需求產生的區域供需失衡並不相同(中國的情況其實更符合市場失靈的概念,雖然因為沒有公開的市場資料,難以判別各區域邊際效益和邊際成本之間的失衡程度)。

然而批售電力市場正常運作下產生的影響也是很明確的-核煤機組獲利豐盛,能源消費佔比較高的中低收入用戶則得負擔不成比例的負面衝擊。分配正義提供對市場運作結果進行干預的正當性(因為純粹的效益最大化應該不會是社會集體所認同的目標),但在效果類似時,我們仍應選擇對市場干涉最少的選項。比如對於中低收入戶提供和能耗改善政策配合的保護措施,就是比直接對批售電價制定價格上限來得有效率。

至於長期性市場設計變革的正當性,來自於能否有效增加再生能源的發電佔比。國際再生能源總署的看法是,確保短期電力市場之外的長期購受電機制的存續,可以讓再生能源業者在前期投資就知道未來的利潤,如此一來便能減少價格波動帶來的不確定性風險。

國際再生能源總署的報告因而指出,長期購售電機制的任務在於盡可能最大化綠能發電量,而批售電力市場在未來則應該轉型成滿足短期供需平衡為主的彈性市場。亦即,在報告中架構的100%綠能的藍圖裡,長期購售電機制僅由再生能源參與、彈性市場則僅允許彈性資源(儲能、需求端彈性、部門耦合等等資源)進入。

嚴格區分兩種市場的參與者,對市場運作的影響是雙向的:一方面這樣的設計可以避免兩市場參與者發生極端性不良干涉的機率,但另一方面排除同時參與兩市場的資格,則有可能會降低正常運作時的經濟效率。正如許多複雜系統的設計一樣,電力市場設計的選擇,是降低不確定性風險與增進平時運作效率之間的取捨。

我認為雖然單一批售電力市場理論上有最佳效率,但實際運作下仍有可能出現雙市場並行的結果-這是因為在能源轉型過程中,一方面優先需要RE100的組織或個人會直接跟綠能發電業或售電業購買綠電,而這樣的需求有機會建構健全的長期購售電機制;另一方面尚未退場的傳統電廠會和新興彈性資源在既有的批售電力市場中持續競爭。在這樣的路徑下,歐盟各國政策制定的主要課題在於如何有效地將交易商品為電能的批售電力市場,轉型成交易商品為彈性能力的彈性市場。

至於台灣,因為批售電力市場尚不存在,反而有機會能在設計批售電力市場的起始,就考慮最終轉型成彈性市場的可能性,從而漸次地透過增進市場的時空解析度、和建立明確的傳統電廠退場時間表,讓彈性資源逐漸滲透並改變市場的本質。

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在一杯子中,兩種液體在完全分開和完全混合的兩種極端中「看起來」比混合過程中點來得單純許多,那麼從混合過程中點到完全混合的路徑,可以視為亂度自然減少的過程嗎?

熱力學第二定律是大一普物和普化課程中第一次具體接觸到的概念。然而在大二下學習生態學時,亦有接觸到夏農指標(Shannon-Index)的概念。因為夏農指標的定義和離散系統的亂度(entropy)相同,當時和友人討論時便提出一看似矛盾的命題:既然生物必需抑制體內的亂度才能存在,越多的生物在世上就代表越多降低亂度的有機體的存在,生態多樣性為何得以自然發生?更進一步來說,在一杯子中,兩種液體在完全分開和完全混合的兩種極端中「看起來」比混合過程中點來得單純許多,那麼從混合過程中點到完全混合的路徑,可以視為亂度自然減少的過程嗎?

當然,只要仔細地分析系統和環境的亂度,可以得知上述兩種現象並沒有違背熱力學第二定律。這個概念在大三修習熱力學時有了完整的闡明。然而,數學上的證明如何和直觀的認識做連結,一直是我在思考的問題。最終,這個問題由複雜系統科學給出答案。

複雜系統科學旨在從各種物理、生物學、社會科學的現象中,找出普遍性的關係與規律。圖片取自An Introduction to Complex Systems Science and Its Applications,Siegenfeld和Bar-Yam,2020年。

複雜度:不同尺度下描述系統的所需資訊量

複雜系統科學導入複雜度(complexity)的概念。複雜度指的是不同尺度下描述系統的所需資訊量。按此定義,統計物理描述的亂度就是系統在不可再行分割的最小尺度下所具有的複雜度。

我們如何以複雜度出發去理解杯中液體互溶部分過程中,系統看起來亂度下降(變得單純)的現象?關鍵在於,當兩液體完全分離和完全混合時,系統所具有的複雜度幾乎都只存在最小的尺度(分子層級)中-在此尺度中,描述完全分離的狀態需要6N筆資訊(N為分子總數;忽略分子的旋轉或內部細節,每個分子需要3筆資訊描述位置、3筆資訊描述速度)、描述完全混合的狀態則需要7N筆資訊(每個分子需要額外1筆資訊描述其為何種分子)。然而因為可以合理假設各分子的前述資訊屬於獨立事件,沒有空間或其他屬性的相關性,超過分子層級的各尺度處處均質,幾乎沒有複雜度可言。

從6N筆資訊到7N筆資訊,液體混合的過程亂度顯然是逐漸增加的,但具體而言是如何增加的呢?在完全分離的狀態下,系統整體的尺度(杯子層級)需要1筆資訊來描述(兩液體何者在上、何者在下),但在完全混合的狀態下系統整體的尺度就不需要任何資訊來描述。我們可以合理地推論,液體混合的過程中,原本屬於系統整體尺度的複雜度會漸漸「下滲」到較小的尺度中,直到所有複雜度都集中到最小的尺度內。

而在這樣複雜度下滲的過程裡,會有某個時間點下滲的複雜度剛好集中在人眼較易辨明特徵的尺度內,此時我們便會覺得杯子內的液體混合出最複雜的樣貌。

量化定義複雜度

在了解複雜度的質化定義後,我們可以試著對其做量化定義。比如底下的定義C:=(S-S_{min}) * (S_{max}-S),其中C為系統複雜度、S為系統亂度、S_{min}為系統初始亂度、S_{max}為系統最終亂度。這個定義下,一開始和最終的複雜度皆為0,而亂度在兩者之間時複雜度最大,此符合我們前述的直觀感受。而在”A Statistical Measure of Complexity”中,Lopez-Ruiz等人也利用前述公式,證明十分接近平衡狀態時,系統的複雜度必然會下降。

我們可將S-S_{min}可以視為亂度的增量、S_{max}-S視為距離平衡狀態的偏移量。因此,複雜度可以視為亂度增量和距平衡態的偏移量的乘積。這便是另外一個對複雜度的質化定義。

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Tony Yen

Tony Yen

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