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國際智慧電網發展策略與現況

2010/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 568

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▓撰文:張哲瑜、李東璟 ▓圖片提供:工研院

根據IEEE的定義:智慧電網係指利用數位化技術,將輸電與配電網升級,以達到最適化運行,並提高能源市場彈性,以誘發許多智慧電網相關之新市場。然而目前智慧電網還是一個「未來先進電網」的概念,且正不斷的進化中,至今尚未有統一的定義。各國因面臨課題與目標不同,對於智慧電網的理解與定義也不盡相同,並隨著研究與實證而逐漸細化。

由於智慧電網(Smart Grid)可讓再生能源替代化石能源,應用ICT技術改造現有的能源體系,提高電網能源效率,在低碳經濟時代,建設智慧電網成為國際發展趨勢。目前美國、歐盟、日本、韓國等都已規劃智慧電網發展藍圖。其中美國明定智慧電網發展大致可分為3個階段:第1階段是2009年,各州政府計劃並著手發展;第2階段是2011到2020年,家電設備能透過有線或無線方式遠距操作;到第3階段則是到2030年全美智慧電網化。歐盟預計在2020年內達到20%的電力來自再生能源與80%居民換置智慧電表的目標,智慧電網有助於將再生能源做為分散式能源以解決現存的能源供應障礙。

日本則由電力公司與地方開始構建第二代智慧電網,目標除在所有家庭安裝智慧電表(Smart Meter)外,還計劃加強輸變電設施及蓄電裝置建設,2020年前相關電力設施投資預計超過1兆日元。韓國知識經濟部提出智慧電網之國家發展藍圖,智慧電網試驗與運行計畫於2020年完成,到2030年達到全國普及。以下將針對國外相關推動狀況做進一步說明。

美國智慧電網發展概況

◎提出美國電力系統下一個百年願景

由於電力系統複雜化與老化使得美國出現數次大規模停電,造成莫大損失。美國電力研究院(Electric Power Research Institute, EPRI)於2001年提出「智慧電網(Intelli Grid)」概念,接著2003年美國能源部(DOE)發表「Grid 2030」報告,提出美國電力系統的下一個百年願景,內容指出,未來美國電力系統將應用資通訊技術(ICT)提升電力系統運行及控制效率,以建構有效率且可靠的電力網路,同年再提出國家電力技術路徑圖(National Electricity Delivery Roadmap),以實現「Grid 2030」的願景。

美國對定義智慧電網應具有7大特性:自癒、互動、安全、提供21世紀所需的電力品質、適應所有的電力來源和儲能方式、可市場交易、優化電網資產提高營運效率。由於美國為大陸型國家,其智慧電網概念將全國電網分為「基礎主幹(Backbone)」、「區域連結網絡」與「區域配電、小型及微電網」等3個構面。基礎主幹為長距離的輸電系統(如橫跨美國東西兩岸的輸電線),區域連結網路為由基礎主幹對各地傳輸電力的區域連結網絡,最後則是各區域的配電系統與對當地供電的小型、微型電網。

◎聯邦政府制訂智慧電網推動法源

為了提高美國能源自主與供應安全,美國在2007年的能源獨立與安全法案(Energy Independence and Security Act, EISA)中,將智慧電網獨立列為第8條款,成為聯邦政府推動智慧電網法源。

在2008年全球經濟不景氣中,美國受創頗深,2009年美國總統歐巴馬上任後,提出美國復甦與再投資法案(American Recovery and Reinvestment Act, ARRA),其中對智慧電網及相關設備的投資額達45億美元,投資補助對象包括:智慧電表、智慧電網區域實證以及儲能實證等,將智慧電網視為綠色新政(Green New Deal)的一環,希望透過對智慧電網的投資,刺激景氣復甦以及提供就業機會。

◎推動現況:智慧電網城市

2008年,美國科羅拉多州Xcel能源公司選擇9萬多人口的小城波爾德(Boulder),做為全美第1個「智慧電網城市」。Xcel公司之所以選擇波爾德,是因為它的位置、城市大小和與電網接入方便,且國家標準和技術研究所(NIST)也位於此,可共同參與智慧電網城市計畫。波爾德應用的智慧電網技術包含智慧電表、智慧溫控、再生能源與電動車。電表能即時、雙向的對電力公司與用戶提供用電及電價訊息,方便用戶根據即時電價彈性、合理地使用電力。對用戶預計可提供節省電費、增加電力供給可靠度、支援混合動力車,以及家電智慧化等好處,對社會而言則達到節能、提高能效與增加再生能源以達到減碳目的。

2009年,加州委託EPRI規劃2020年加州智慧電網發展藍圖,成為全美第1個訂定智慧電網發展路徑的州政府。EPRI將整合政府、電廠與民眾等各方意見後,確認目前技術現況與願景的落差,提出改善策略與技術路徑圖以達成願景。加州預計在2020年時,區域內天然氣與電力系統均能納入智慧電網的整合網絡。

歐盟智慧電網發展

◎分散式電源與「20-20-20」為主要趨力

近年來歐洲再生能源發展快速,但也面臨能源短缺、對遠東能源進口依賴日益嚴重的問題,且2008年歐盟提出「20-20-20」目標後,減碳與增加再生能源導入比例成為強大的壓力。為解決前述問題,歐盟提出了EU Smart Grid的架構。在2005年,歐盟成立「智慧電網技術平台(European Smart Grid Technology Platform, ETP SmartGrids)」,旨為促進歐洲智慧電網研發,訂定智慧電網的發展願景和實施策略,為歐盟提供彈性、綠色、經濟與可靠的電力供應。ETP SmartGrids先後發表「歐洲未來電網的構想與策略(Vision and strategy for Europe’s Electricity Networkds of the future, V&S, 2006)」、「歐洲未來電網策略性研究議程(Strategic Research Agenda for Europe’s electricity Networks of The future, SRA, 2007)」與「歐洲未來電網戰略部屬文件(Strategic Deployment Document for Europe’s Electricity Networks of the Future, SDD, 2008)」3份重要文件,確定今後歐洲智慧電網的發展方向並規劃歐洲智慧電網發展藍圖。為因應歐陸的能源與市場環境,歐盟的智慧電網研發重點有三:即再生能源和分散式電源併網技術、電動汽車與電網協調運轉技術,以及電網與用戶的雙向互動技術。

◎超級智慧電網

由於應用分散式電源的微電網技術可改善能源效率、降低環境衝擊、改善系統可靠度及穩定度等,在未來的電力系統將扮演重要的角色。歐盟在微電網技術已有多年發展,2006年,歐盟延續過去Microgrids計畫再成立另一個More Microgrid計畫,著重於分散式電源及負載控制的設計、發展新的分散式電源控制策略、多區分散式電源的併聯技術、商業交易制度、相關技術標準以及評估微電網對未來電力事業的衝擊等。

為了分散能源進口依賴並達到20%的再生能源導入目標,歐盟在FP6 Climate Change and Impact Research,CIRCE計畫中,提出利用高壓直流技術中東與北非輸入太陽能等電力來源的跨洲超級電網計畫Super Smart Grid,預計在2020年前達成20%的電力來自再生能源的目標。

韓國智慧電網發展

◎以扶植產業出口為目標

韓國政府發展智慧電網的最終願景在於將智慧電網當作其未來邁向低碳綠色成長的基石。因此除了透過建構智慧電網,達到低碳發展外,最終希冀以智慧電網為載體,扶植國內相關產業出口,以攻占全球智慧電網30%市場為目標。2009年韓國知識經濟部(Ministry of Knowledge Economy)公布韓國的智慧電網計畫,將計畫分為3階段,以「先建構示範區域進行試驗、逐步擴散至全國」為其布建策略。2010至2012年為試驗階段,先選定數個示範區域進行智慧電網布建,以針對相關技術進行可行性測試、2013至2020年再逐步推廣至涵蓋範圍較大之區域、2021至2030年完成智慧電網全國性布建。

◎五大智慧策略

由於南韓智慧電網布建策略以「Smart」為主軸朝5個大方向執行,包括「智慧型電網(Smart Grid)」、「智慧型消費者(Smart Consumer)」、「智慧型運輸系統(Smart Transportation)」、「智慧型再生能源(Smart Renewables)」及「智慧型電力服務(Smart Electricity Service)」。

其中,「智慧型電網」主要發展重點在於使用電端與供電端電力資訊能雙向溝通,以及電力系統具備即時監控與自動修復能力;「智慧型消費者」之執行目標主要在於促進消費者進行用電管理,以達到減碳目標,內容包含AMI的普及、新電價機制的建構及賦予消費者多樣化供電來源之選擇權;「智慧型運輸系統」之執行則是為了推廣電動車普及化,以及發展南韓電動車產業,主要之規劃重點在於建置充電基礎建設與發展商業模式,預估2030年南韓國內電動車將達240萬台,知識經濟部預計要在2030年前增設27,000處電動車充電服務場所;「智慧型再生能源」則提升再生能源供電比例、減少大電廠投資發展重點為提升再生能源輸入大電網之穩定性、發展儲能裝置,與發展及商業化微電網;「智慧型電力服務」主要發展重點在於建構新的電力交易系統,同時發展因智慧電網的發展而衍生出的新商機,並促進跨產業之合作,以躋身全球重要智慧電網出口國。

◎濟州島示範計畫

韓國智慧電網示範地點為濟州島,島上約有6,000家戶。示範內容包括:電動車相關基礎建設、節能住宅與再生能源等。由政府與民間共同出資,韓國電力公社(KEPCO)負責執行,KEPCO連同旗下韓國水資源(Korea Water Resources)、韓國地域暖房公社(Korea District Heating)及韓國東西電力公司(Korea East-West Power Co.)將共同推動該項建設計畫。示範團隊尚包含LG重工、Samsung與SK電信等重電、電信財團,計畫預定於2011年先設置200處電動車充電所。此外,韓國與美國阿岡國家實驗室、芝加哥大學技術合作,預計在濟州島測試後,將在首爾與芝加哥兩城導入智慧電網。

日本智慧電網發展

◎日本版本的「次世代電網」

在美國2009年提出智慧電網投資後,日本經產省副部長望月晴文指出,日本穩定而運作良好的電力系統與美國的電力系統所面對的問題不同,日本將根據自身國情,提出日本的智慧電網版本。之後,日本由經產省主導,以達到低碳社會發展目標,展開日本「次世代電網」規劃。

◎著重新能源、電池與微電網

日本智慧電網發展重點,在於設法將太陽能這種發電不穩定的能源,充分應用在電力上,並保持電網的系統穩定。因此在日本的智慧電網技術藍圖中,特別強調新能源相關技術、電池三兄弟(太陽能電池、燃料電池與儲能電池)與克服新能源系統穩定性問題的微電網技術。日本由新能源及工業技術發展組織(NEDO)主導進行智慧電網及微電網的研究計畫,先前NEDO已有多年的再生能源併網及微電網研究計畫。如在青森(Aomori)的微電網試驗計畫中,發電系統採用太陽能、風力與生質能等新能源發電技術,加上燃氣發電機與電池系統來控制發電輸出,以保持電力供需的平衡,而發電所產生的熱能亦充分回收利用,此微電網可與外部系統併聯供電,但具有獨立的配電專線。

◎地區實證計畫準備開跑

日本所擅長的能源與環保相關技術如再生能源、蓄電池、電動車與智慧家電等,在國際間具有領先地位,而智慧電網將是左右這些重點產業未來發展的關鍵基礎建設。也因此日本期望能先在國內累積跨產業合作及實績驗證經驗,以確保商業模式的可行性、加強技術實力以及加快促成標準的確立。2010年由經產省主導,與民間企業共同組成「Smart Community Alliance」,展開多次官民溝通會議,共有包含電力、瓦斯、電機、汽車、IT等領域300多家企業參與。在示範建置方面,經產省於2010年4月,選出4個城市進行為期5年的智慧電網示範驗證計畫,並預計於2011年開始啟動。在地方實證計畫的執行團隊中,除了電力、重電、汽車、蓄電池、IT、通訊及建設業者外,也加入國外廠商如IBM、Accenture,以強化建置能量。

另外,東京電力與關西電力公司也開始積極規劃導入智慧電表,期望能透過智慧電表的導入進行用電資訊雙向溝通,以更充分掌握用戶端的發電與用電資訊。

結語

從美國的綠色新政宣布投入大量資金於智慧電網開始,智慧電網成為一股席捲全球的熱潮。各國政府紛紛從自身能源環境需求與產業發展等角度規劃智慧電網的建置。由於智慧電網發展尚在摸索階段,在各國的發展經驗中,逐漸發現各項問題,如美國因事先教育與溝通不足,在智慧電表的換裝過程遇上民眾的抗爭;中國在尚未安排好調度技術與儲能等配套,就大量建置風機導致大量風力閒置,日本發現減少補助造成太陽能電池導入停滯,又重新啟動補助等,成為未來智慧電網發展學習與改進的課題。(作者任職於工研院)

<科技小辭典>

智慧電網(Smart Grid)

具有人工智慧的電力供應網,它能即時機動的整合調配用電供需,並達到最佳節能的電力管理。智慧電網包括:輸配電網路、先進智慧電表、各式儲能設施、資訊分析管控軟體及電路安全保護機制等。


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