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德國「智慧能源展示窗口」示範計畫簡介

1.概說
到目前為止,傳統電廠與石化能源仍是德國電力供應的主力,隨著2011年之後再生能源設備的快速增加,帶來了更多的風能與太陽能電力,其目標是2020年之後,再生能源要逐漸成為供電的主力(35%),到2050年更要達到80%以上的比例。不過再生能源是不穩定、波動性的電力輸出,為因應這種特性,電力供應系統(電力網)必須要做出重大改變,因此德國能源政策的當務之急,即是要為再生能源的供電穩定性找出可行的解決辦法。
隨著再生能源的投入,德國新型態的電力供應系統有以下特徵與建置重點:
— 發電結構特徵
 從集中到分散
 從傳統到可再生
 從持續不斷到間歇波動
— 建置重點
 將發電單位、用戶與儲電業連結起來,進行雙向或多向式的電力輸送:電力網的負載從原本「由上而下」(top-down)轉變到「由下而上」(bottom-up)的模式
 運用資通訊(ICT)技術、智慧電力測量系統(intelligente Messesysteme)與能源管理手段(Energiemanagementlösung),為發電與負載管理創造新的商機
 改變電力消費習慣,如彈性用電、使用熱泵式熱水器等:提高電流精確測量、電流控制與電流自動化的需求
為了找出新型態電力供應系統的解決方案,德國自2013年9月開始推動「智慧能源展示窗口」示範計畫(本計畫),本計畫是為因應「能源轉型」(Energiewende)所帶來的挑戰,目標是要在2020年之後建立一個高比例再生能源同時可兼顧穩定供電的電力系統,在選定的示範區內進行供電流程、智慧技術、新型交易與市場機制各方面的大規模發展與試驗,所要達成的主要目標是,再生能源供電達到100%的情況下,電力供應系統仍然可以安全穩定的運作,為此,發電、電網、儲電到消費各方面都必須具備足夠的技術條件,其中的具體作法,就是將傳統電網轉置成為智慧電網,透過智慧電網的調控,就可「在必要的時間」、「以必要的程度」進行智慧型的供電與用電,確保供電穩定,同時也可突破傳統的供電思維,電網業者將不必為了應付最大輸入容量與尖峰負載需求量而擴建電力網,只需架設最適規模(optimal)電力網,透過智慧系統的調控,就可以充分利用現有電網的容量。
為實施本計畫,德國在2013到2017年間將投入8,000萬歐元的經費,經費來源是依「能源與氣候特別專用基金設立條例」( Gesetz zur Errichtung eines Sondervermögens „Energie- und Klimafonds“, EKFG)成立的「能源與氣候基金」(又稱「能源效率基金」)(Energie- und Klimafonds, Energieeffizienzfonds,)所提供的專用經費,本計畫也是「能源效率基金」推動德國能源供應系統現代化最主要的「網路現代化革新運動」(Modernisierungsoffensive Innovative Netze)項下的子計畫之一。
2.基本作法
本計畫先選定城市、鄉、鎮或縣作為示範區,並以成立再生能源「展示窗口」(Schaufenster, 即風電、太陽能園區)的方式進行試驗,各該「展示窗口」所設置的電力網必須達到2020年以後應具備的智慧電網規格,由於必須建立智慧電網,除了電能的流動外,數據資料的交換也變得很重要,因此每個展示窗口都會以「智慧能源系統ICT」作為主要議題。
示範區的特性是,當地電力負載與再生能源供電之間有明顯的落差,其用電負載的中心地區,例如人口、商店、產業的密度過高,並無適當的開放空間可供建置再生能源設施,而必須另外由「再生能源發電中心」(EE-Erzeugungszentren),即「展示窗口」提供電力。
3.示範區的條件
作為示範區的鄉、鎮、市或縣必須具備:
 至少有10萬個以上的住商用戶(Haushalte);
 至少有1萬個以上符合德國聯邦資訊安全局(Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik, BSI)個資保護和技術指令規定而具有個資安全性的智慧電力測量系統,以便在本計畫作各種運用的測試;
 至少要有1千個以上可遙控中斷的用電設備,例如大型冷卻或加熱裝置、夜間蓄電式電暖氣、熱泵式熱水器、電動車充電設備等,以測試用電需求變化的彈性。
此外,示範區裡的電信與能源網路建設必須充分完備,現有的電力供應系統也必須含蓋輸電網、配電網到低壓電網等不同電壓的電力網。
4.展示窗口
本計畫的再生能源「展示窗口」分為:
 展市窗口1—風力:安裝的風力裝置容量至少要達到當地尖峰負載的3倍以上,以隨時高於用電需求。
 展示窗口2—太陽能:安裝的太陽能板裝置容量至少要達到尖峰負載的2倍以上,這類的電力大部分是由低壓太陽能板所提供。
展示窗口的再生能源發電必須完全滿足當地用電負載,其供輸狀況和發生的問題都應立即做詳細的記錄。
展示窗口也要進行能源法、技術面與ICT領域等知識與實務操作的跨領域合作(Projektkooperationen),由以下單位和業者的共同參與:
— 地方團體(即示範區)
— 配電網業者
— 至少一家以上的輸電網業者
— 傳統發電業
— 再生能源(EEG)、電熱共生設備(KWK)的經營業者
— 多家售電事業
— 至少一家以上的電力測量業者與智慧電錶網關管理者(Smart-Meter-Gateway-Administrator)
— 電信網路業者
— 元件製造商
— 至少一間以上的學術單位,例如大專院校或研究機構,為計畫提供學術諮詢與建議
以上參與本計畫的單位與業者必須依法簽訂契約(再生能源法第8條第3項)。
4.1展示窗口1—風力
4.1.1 風力發電的問題—風電分佈不均
再生能源發電的種類中,風力是最重要的。近年德國風電設施(俗稱『風車』)數量明顯增加,尤其是德國北部的風力發電相當有優勢,因為位置靠海,風力持續且強勁,另外在德國中部山區與東部平原地帶,也是風力發電的大宗,由此觀之,大部分地廣人稀的地區是德國風力發電的支柱,相對的,人口密集、產業聚落明顯的地區多位於德國南部和西部,但這些地方風電設施比例偏低,這種發電與負載區域之間不均衡現象,已經隨著風電設施的增加而越來越明顯。
4.1.2 風力展示窗口的挑戰
為了避免未來風力發電造成電力系統的不穩定,風力展示窗口必須建立相關技術解決方案與工作流程,以解決大量分散的風電設施在整合過程中所發生電頻控制、電壓穩定的問題,在整合過程也必須注意輸電網的系統穩定性,對於配電網供輸、交易主體的影響,以及輸電與配電網之間應如何協調配合等問題,除此之外,也要盡量將既有的發電業者、負載設施與儲電設備業者一起整合進來。
4.2展示窗口2—太陽能
4.2.1 太陽能的問題—剩餘電力的浪費與天候難以預設
近幾年來,全德太陽能板安裝量大幅的增加,晴天的時候,太陽能板的發電量有時可以超過用戶實際用電需求好幾倍,足以取代傳統發電,但是太陽能板是分散式的發電,有可能是住商用戶個別安裝的小型太陽能板,也有可能是集中安裝在一個開放空間的大型太陽能發電中心,前者與低壓電網連接,後者則與中壓電網連接,如果當發電量超過用電需求時,為提供其他地方的電力需求,必須把多餘的電力輸送到更高壓的電網,但是傳統電網與作業方法並沒有考慮到這點,而造成電力的浪費。除此之外,太陽能的最大挑戰在於天候難以預測,例如雲的移動、大霧等,到目前為止都無法準確預測,是影響供電穩定最主要因素。
4.2.2太陽能展示窗口的挑戰
為了因應上述情況,太陽能展示窗口必須進行以下工作:
— 為了把太陽能電力從中、低壓電網輸往高壓電網,必須發展電力供應系統作業技術、程序、運作機制及市場機制,並進行測試。
— 為使中、低壓電網輸往高壓電網的過程順利穩定,必須先進行各方數據資料(包含當前的輸電功率值與預測值)的交換,這就有賴智慧電網的ICT技術來達成,同時也須建立起規範,明定發電方、電網業者與用戶等的資料提供義務。
— 測試並運作符合BSI個資保護與技術指令規定的「智慧電力測量系統」(intelligente Messesysteme)。
— 將數以千計的太陽能發電系統、儲電設備與電力管理系統進行整合,並進行穩定性測試。
— 為維持供電穩定,無論是當前的輸電功率值,或是下一小時或隔天預測值,都是智慧電網系統管理上所不可或缺的要素,然而面對天候不確定性的因素,就必須善用當地天候的經驗值與知識,作成記錄,以降低不確定性。
4.3 共同問題
除此上述之外,風力與太陽能展示窗口都必須為以下問題找到答案:為了輸送風力或太陽能電力這類新能源,除了擴建電力網的傳統作法外,有無其他的技術手段可以提高現有電網設施的使用率,例如藉由智慧電網的運用,改善電網的作業方法,或控制發電設施,或是從需求面著手,促使消費者改變用電習慣,例如推廣可遠端智慧遙控式的暖氣系統、加熱或冷卻裝置、夜間蓄電式電暖氣、熱泵式熱水器、電動車,甚至是智慧住宅等。易言之,如何進行發、輸、配、儲電與用電的共同合作,達到電網最佳使用效益,也是本計畫重要的任務之一,在這一方面,不只要提高技術能力,同時也要建立起規範明確分配各方的責任,確定其行動方針。
5. 技術方面的具體工作內容
展示窗口為了將能源系統供應產業練(Wertschöpfungskette)完整的串連起來,必須進行以下各項具體的工作:
— 整合分散的發電、用戶與儲電,進行調整電頻與穩定電壓的工作:
 為電網、發電與用電設備發展新的技術標準
 持續測試並調整新的技術概念、組織方法、市場誘因與激勵管制制度
 建立電力網與分散的系統服務供應者(如電廠、儲電設備、再生能源設備經營者)之間的即時通訊
 為電網自動化,發展並測試電網臨界值(Netzgrenzwerten)與操控變量(Stellgrößen, actuating variable)
— 發展有效率的系統壅塞管理方法
— 將具有個人資料保護功能的智慧電力測量系統運用到電力網與電力銷售之中
— 將配電網的各供輸、交易當事人整合到整體電網系統管理之中:
 為了確保電力系統供輸平衡,必須運用智慧電網ICT技術將配電網的各方當事人,亦即發電、儲電與消費方的資訊都整合進來,並進一步發展出高、中、低壓各級電網當事人之間配合協調的辦法,同時訂定規範明定各方的責任與行為準則。
— 負載管理能力與建築物及其基礎設備系統的測試與評估:
 記錄與說明產業、商業及家計單位對於電力負載管理的貢獻程度。同時也須觀察當電力配送到建築物及其基礎設備,例如暖氣、通風、空調、門禁系統、監視器、照明、警鈴、火災警報系統、疏散系統等的情況,進行整體系統測試與評估,藉由智慧電網與建物及其基礎設備的連結,提高居住舒適度、加強安全,並提高能源效率。
— 為電力輸送、負載與分配管理所發展出來的智慧電網ICT技術,有助於優化電網管理流程,並可讓能源供應系統發展出新的商業與服務模式,為建立一個健全、不受網路攻擊的智慧電網(通訊網)系統,風力與太陽能展示窗口及相關研發人員必須持續交流,交流重點有:
 發展配電網與輸電網之間最佳的通訊軟體。
 發展符合資料保護與資訊安全規定的ICT技術。
 發展並測試「智慧電錶網關管理者」(Smart-Meter-Gateway- Administrator)使用的軟體。
 為電力供需雙方發展「即插即用」(Plug and Play)和需求面管理(Demandsidemanagement)所需要的軟體與ICT技術。
 為管理大量的數據與服務,必須整合出一個標準化平台的數據中心。
 發展並運用電網自動化監視系統的ICT技術,以精確測量、傳送、儲存電網狀態,並將電網狀態影像化,以協助控制系統的穩定。
 隨著智慧電力測量系統與浮動費率逐漸普及,必須發展出資訊系統與預測系統,建立個別消費團體或個別區域電網的詳細用電預測(前提:符合資料保護與資訊安全規定),作為電力交易與電力系統控制的重要判斷基礎。
 在智慧電力測量系統的基礎上(前提:符合資料保護與資訊安全規定),發展能源服務與加值服務的新商業模式。
 為雙向通訊所需,發展網路傳送電力切換指令、電費資訊與固件更新(Firmwareupdate)等功能,為此,可以研究目前的網路傳輸技術,如DSL、PLC、GPRS、LTE、CDMA等的適用性。
6. 社會、經濟方面的任務
除了技術層面外,本計畫也有社會與經濟方面的任務:
— 計畫參與者以外的合作對象
除了參與本計畫的單位與業者外,也可與其他非參加者的企業或團體合作,例如應考慮將具有創新能力的中小企業納入。
— 封閉的系統
每個展示窗口必須是在地理範圍上的一個自我封閉系統,在該範圍內可以試驗新的管制政策,藉以分析個別管制對象的行動反應,以及對其他單位或業者造成的協同效應。
— 民眾參與
展示窗口應盡可能把大部分的居民納進本計畫之中,例如為示範區的居民提供安裝智慧電力測量系統(智慧電錶)的優惠服務,讓消費者與分散的發電單位也能夠為「能源轉型」(Energiewende)的政策出一份力,透過鄉、鎮、市、縣等地方層級的參與,讓新能源供應系統在技術、組織、法律等各方面的發展,逐漸獲得民眾信賴與社會認同,因此公共關係與社會科學方面的評估,也是本計畫重要的一環。
— 大規模的試驗並展示新技術
展示窗口應提供機會,讓正在開發中的技術或操作程序可以迅速投入本計畫的試驗當中,無論是學術與實務之間的交流,或是把進行中的研究成果轉換到本計畫中,都必須確保從試驗所獲得的知識與經驗可以直接反饋給製造商,以便將新技術、新產品迅速引進市場,推動創新發展。
— 職業訓練與人員培訓策略
能源供應系統正面臨著一個重大的變化,這是因為能源供應系統必須變得更有彈性,必須更大幅運用ICT技術,因此能源產業與資通訊產業今後的共同發展趨勢會日益明顯,本計畫為此也提供了職業訓練與人員培訓的重要契機,讓實務訓練與學術研究能夠獲得良好的發展,以滿足相關產業的需求。
— 個資保護規範與準則
在將許多消費者納入本計畫之後,必須發展出統一的規範與準則,以確保使用智慧電網的個資安全性,因此本計畫將成為智慧電力測量系統個資保護的試驗場所,並將為智慧電網發展出一套安全可靠的電力市場通訊模式。
6.結語
德國「智慧能源展示窗口」是為因應「能源轉型」後電力供應結構將發生重大轉變的示範計畫,目的在吸取本計畫試驗所得到的知識與經驗,確保未來再生能源供電系統的穩定性,是同時結合「智慧電錶—智慧電網—高比例的再生能源發電」的三合一解決方案,其概念與方法相當先進,特別是藉由智慧電網的建構,一方面投資ICT技術的研發,一方面透過技術與經驗的累積,發展智慧供電系統的市場機制以及各種軟硬體解決方案,創造出新的商機,同時也試驗各種新的行政管制手段,打造出整合能源法律、技術與市場發展的平台,如果能夠發展成功,堪稱是能使新能源、智慧網、新商機都一步到位,頗值得我國參考,其後續的發展與成果,更有待我們持續關注。(黃俊凱 德國柏林洪堡大學法律系博士生)

更新日期 : 2014/04/03