再生能源不可靠? 德國穩定供電打破迷思

全球中央 2021/08/04 09:24(119天前)
風力和太陽能源源不絕,卻有間歇性發電的特性。隨著日升日落、颳風下雨,將再生能源作為發電主力的德國,如何維持電力供應的穩定?

文/林育立 (中央社駐柏林記者)

德國在全球能源界有能源轉型實驗室之稱。去年,再生能源占發電的比例首度超過一半,離淘汰核電和燃煤火力發電的目標更進一步,而供電可靠度與各國相比依然名列前茅,讓強大的高科技產業無後顧之憂。德國怎麼辦到的?

優渥的電力收購價 再生能源一日千里


德國的能源轉型是在2000年綠黨執政時奠下基礎。當時政府首度立法給予再生能源優渥的電力收購價,從此風力、太陽能、沼氣發電的規模和技術在德國突飛猛進。2011年的日本福島核災在德國民間掀起強烈的反核聲浪,政府被迫提出廢核時間表,預計明年底核電廠將全數關閉。德國是產煤大國,但迫於國際社會的減碳壓力,最後一座燃煤火力發電廠最遲也將在2038年關閉。

目前風力和太陽能已是德國發電的主力。其中風力占全國總發電量的27%,超越褐煤、核電、天然氣和太陽能,成為最重要的電力來源。去年風力和太陽能的發電量總計1,830億度,也首次超越煤炭、石油、天然氣等化石燃料的總發電量1,780億度。

風力和太陽能源源不絕,可說是地球上最便宜的再生能源,卻有間歇性發電的特性。狂風來時發電量暴增,夏日平靜無風時風機葉片完全停擺;每天一到夜晚,太陽能板一度電也發不出來。隨著日升日落、颳風下雨、季節變化,風力和太陽能時時波動,到底該如何維持電力供應的穩定?

國際合作互通有無 積極發展儲能技術

首先,風力和太陽能來自大自然,進入再生能源時代,氣象預測成了維繫電力供需平衡的關鍵。

在風能和太陽能尚未普及前,核電廠和火力發電廠又稱基載機組,具有長時間連續運轉和低成本的特性。可以馬上發電和停機的天然氣渦輪發電機組、水力發電則被稱為尖載機組,在用電高峰(例如亞洲夏天的午後)併聯發電以滿足尖峰需求。基載和尖載彼此互相支援,這是傳統的調度觀念。

當風力和太陽能逐漸成為電網的主體,電力的調度觀念也跟著調整。調度人員透過氣象報告,事先推測風力和太陽能的發電量,以及早安排備用的發電機組。過去24小時火力全開的基載機組,由於應變的速度最慢,只好從原本除了歲修從不休息的主角,變成在後台待命、偶爾才上台兼差的配角。

為維持電力供應的穩定,發電量必須隨時等於用電量。鑒於再生能源的變動性,隨時待命能立即上場救援,也就是過去的尖載機組,反而扮演關鍵角色,例如能迅速開停和升降載的燃氣發電與再生能源就是天作之合。

德國北部地勢平坦,擁有數以萬座的風力發電機,但風速太強時,為避免發太多電造成電網難以承受,風機經常被迫停擺,這就是讓許多風力發電國家頭痛的棄風問題。

德國因此與北歐的水力發電大國挪威合作,打造一條全長623公里的海底電纜,預計今年底完工,讓挪威成為德國的電池。當德國沒風時,挪威多餘的水力發電可供應德國;當德國風太大時,風電就送到挪威轉換成位能儲存起來,等到需要時再用。

鋰電池的靈活性高,一樣也被視為適合再生能源的儲能技術,德國目前有多家業者經營鋰電池儲能系統,為電力調度業者解決短期供需不平衡、系統頻率變動的問題。不過,鋰電池的成本太高,應用在大量儲能還需要很多年的時間。

現階段比較被看好的是再生能源與氫能的結合,也就是將過剩的電轉換成方便儲存和運輸的氫氣。

零碳排的綠色氫能是能源界當前的熱門話題,全球最大的離岸風力發電業者丹麥沃旭(Ørsted)、荷蘭石油天然氣巨擘皇家殼牌集團(Shell)都積極打造與風力發電設備結合的電解水製氫廠。氫應用的範圍很廣,除了發電也可應用在化工業、鋼鐵製造、交通等領域。法國鐵路設備大廠阿爾斯通(Alstom)的氫動力列車,近年已在德國和奧地利先後上路,戴姆勒(Daimler)、曼集團(MAN)等德國卡車大廠也積極投入氫燃料卡車的研發。

德國的汽車、機械、航太等高科技製造業發達,對電力穩定度的要求特別高,而德國供電的穩定程度向來在全世界名列前茅。從各國衡量電力可靠度的標準SAIDI(系統平均停電時間指標)來看,過去10年德國始終維持在16以下,近年並有下滑趨勢,數字愈低表示電力穩定度愈高。從德國經驗來看,間歇性發電比重的增加並不影響供電的穩定度。

低碳化推升用電量 想碳中和得再加把勁

不過,未來幾年,德國的電力供應仍面臨相當大的挑戰,首先是電力需求的問題。即便零碳排的綠電目前在發電占比已超過一半,但隨著經濟體走向低碳化,原本使用化石能源的汽車和建築用暖氣都可能改用電,用電量勢必成長,再生能源設備有必要再進一步擴充,才有可能在2045年前實現碳中和的既定目標。

其次,再生能源有因地制宜的特性,德國北部平原和北部外海的北海、波羅的海風力資源最豐沛,但製造業等用電大戶集中在南部,因此有必要建設高壓直流輸電網,將北部的風電南運。如何克服建設過程中遇到來自地主和環保人士的重重阻力,成了電力業者的一大難題。

本文轉載自《中央社全球中央雜誌》。全球中央電子書請連結:
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