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德國電力負載需求管理的發展現況

1.概說
和其他國家一樣,德國目前電力系統主要是按照「負載需求量決定電力供給量」的運作方式,發電端配合負載需求調配機組出力,隨時確保發電量與用電量一致,用戶可以自由決定何時和如何用電,不必顧慮到電力系統的整體供需狀況,這種以滿足需求為導向的傳統模式,造成供電端必須維持高度的電力輸出,缺乏供電效率。在全球氣候變遷的背景下,節能減碳與提升能源效率已是國際趨勢,為了降低發電負載,先進國家改從管理電力的需求面著手,彈性調整用電需求,降低發電端的最高負載,並推動相關政策,積極發展負載管理的技術與市場,德國也不例外。
德國近年再生能源供電比例迅速攀升,在今年(2014)第一季已達27%,傳統電廠不只要應付用戶用電需求的波動,也必須平衡風能與太陽能因為天候因素所造成的供電波動,因此隨著再生能源裝置的增加,電力系統進行需求面管理,改由「電力供給量決定負載需求量」的必要性也越來越高,以電力系統整體供需的狀況來調控電力用戶的用電時間與用電量,達到降低用電負載、維持系統供需平衡的效果,這種方法稱為「負載管理」(Lastmanagement, Load Management),為能源「需求面管理」(Demand-Side-Management)的重要措施之一。
2.負載管理方式
德國目前實務上的電力負載管理方式,可分為:電網業者統一調控用戶電力負載的「集中負載管理」(Zentrales Lastmanagement),與用戶按照市場電價訊息自主調整用電時間與用電量的「個別負載管理」(Lokales Lastmanagement)。
2.1集中負載管理
在德國經常可見住家或公寓的地下室安裝夜間蓄熱式電暖氣(Nachtspeicherheizungen)、熱泵熱水器(Wärmepumpe)或RLT暖氣空調系統(RLT-System),這類緩衝型的儲能設備(Zwischenspeicher, temporary store)有的可定時開關,有的則直接由電網業者透過紋波控制訊號(Rundsteuersignal, ripple control signal)進行遠端控制,利用夜間等離峰的時段儲存電力,其中後者的情形就稱為「集中負載管理」。
集中負載管理,是電網業者以集中調度的方式調控用戶的用電負載需求,這種管理方式並非透過市場價格訊息來引導,而是以集中控制的方式,改變用戶電力負載時間與用電量,以維持電力系統的平衡。電網業者調控儲能設備的控制技術,除了紋波控制系統是利用電力系統的電力線通訊(Powerline Communicatiion)外,也有利用電信網路(Internet)、行動通訊系統(GSM)的方式來進行控制,這些控制技術同時也可回傳用戶目前的用電量等訊息,以便電網業者掌握用戶更多的用電訊息。
在集中負載管理的範圍內,電網業者按照預訂的「調度計畫」(Fahrplan)作負載預測,可達到負載預測「零誤差」的用電調度,對於電力系統的平衡甚有助益。不過集中負載管理的前提必須用戶主動安裝相關設備,但目前法令並未強制用戶安裝,因此其運作仍有侷限性。
與此相關的,隨著越來越多的電動車整合到電力系統之中,電動車也成為移動的儲電設備,當車輛與充電設備連接之後,在使用者設定的參數下,可以接受電網業者調度,按照電力系統當時供需平衡的需要,進行充電或卸載電力,例如在系統離峰時段充電,在尖峰時段輸電給其他車輛,因此可以預見,電動車也將成為用戶端可控制負載的一項重要來源。
2.2 個別負載管理
2.2.1 削減尖峰用電
德國產業或商業用戶(工商業用戶)常見的電力負載管理,是在營業場所或廠區範圍採取「削減尖峰用電」(Spitzenlastreduktion)的方式。
德國的電價中包含必須支付給電網業者的「電網(系統)使用費」(Netznutzungsentgelte)在內,按照電網使用費的資費制度,每年用電負載超過10萬度以上的用戶,每隔15分鐘必須作一次負載容量(電力最大輸出功率)的測量與紀錄(registrierende Leistungsmessung),針對這類用電負載量較高的用戶(通常即工商業用戶),電網使用費除了按用電度數(kWh)計算的「每度價格」(Arbeitspreis)之外,還要按每15分鐘用電負載容量(kW)的平均值,額外收取「容量價格」(Leistungspreis),因此工商業用戶在計算電網使用費與購電成本時,除了電能本身的價格外,還必須注意公司或廠區用電設備的最大負載容量,以控制電費支出。
為了減少容量價格的支出,工商業用戶通常都或會主動作系統性的削減用電負載,以縮減或避免尖峰用電。在作法上,通常會先對用電負載曲線進行分析與評估,然後制定削減負載的通盤計畫,並作成本效益評估,調整營運時間或生產流程的最佳組合。在執行上,除了人工操作外,有越來越多的業者利用自動化系統進行負載監控,一遇到整體營運用電將要超過預先設定的負載值時,就關閉指定的設備,如有多數的可關閉設備時,就設定關閉的優先順序,或是讓用電負載較高的設備輪流停電。
2.2.2 現貨市場交易
工商業用戶因為用電量大,在管理負載需求的過程中,會很積極的加入電力市場的交易。
當集中現貨市場(Spotmarkt)某時段電價高於與供電商(售電業)雙邊契約的約定價格時,工商業用戶可能會減少或擱置該時段的契約供電,轉而在市場上出售該筆沒有消費的電力容量,以賺取價差,等到市場價格較低的時段,再從現貨市場買進便宜電力,投入生產作業,以充分利用市場上電價的波動創造最大利潤。特別是當業者評估出售某時段電力容量的獲利,將高於同一時段用電投產所創造的價值;或是使用便宜電力的相對獲利幅度,將高於變更生產時段所增加的成本時,都會有強烈的誘因驅使其進行電力交易,而調整電力負載需求。
電力交易市場價差波動顯著的例子,是2010年12月15日位於法國巴黎的歐洲電力交易所現貨市場(EPEX Spot),當天在德國市場拍賣的隔日每小時電價,出現了交易履行日(16日)下午5點到7點之間每兆瓦小時(MWh)130歐的價格,這也是該交易所當年出現的最高價格,而該時段5個小時以前的價格都在80歐以下,換言之,市場參與者可以利用的價差最高可達到每兆瓦小時50歐以上,業者單是將用電負載時段提前到下午5點前或7點以後,就可節約許多用電成本。
3.負載管理的目標與成效
消費端的負載管理,可以減少尖峰負載的用電,平衡每日負載曲線,讓發電機組的利用率更趨於平均,同時降低全年最高用電負載量,除此之外,維持電力系統供需平衡,也是一項重要作用。
電力有不易儲存的特性,電能的生產與消費幾乎是同時發生的,為了確保可靠的電力供應,也為保障電力交易能順利履約交割,電力系統內必須隨時維持供給與需求之間的平衡。德國能源市場有一個「供需平衡群組」(Bilanzkreis)的概念,是指輸電業者的系統控制區(Regelzone)內所有的餽電點(Einspeisestellen)與電力提取點(Entnahmestellen)共同組成的供需平衡圈。一個供需平衡群組,就是由一個電力系統控制區內的發電業、輸電業、配電業和終端用戶所共同組成,其中的輸電業者是這個群組的「供需平衡負責人」(Bilanzkreisverantwortlicher),由其統籌制定調度計畫(Fahrplan),負責處理群組內所有餽電點與電力提取點之間每15分鐘的電力供需平衡調度。
實務上,電力供需平衡調度所面臨的挑戰,除了用戶用電波動造成的負載預測偏差,以及發電機組不可預測的故障等傳統因素外,德國近來為有許多再生能源如風力、太陽能電力進入交易市場,這類不穩定的間歇性電力更容易造成負載預測偏差,明顯升高了群組電力供需不平衡的風險。
群組供需不平衡的情況,其中的大部分是「供需平衡負責人」與其他群組的輸電業者彼此互相調度「平衡電力」(Ausgleichenergie)來加以彌平,剩下的其他落差,就必須再尋找群組內的「調節電力」(Regelenergie)來平衡。而無論是購買平衡能源或調節能源的費用,都是「供需平衡擔當人」因為調度預測誤差而為群組供需平衡所必須支出的費用,因此用戶在進行負載管理後,也可以把自己的可控制負載,例如為減少尖峰負載,或因市場價格變動未消費的電力,出售給輸電業者。
4.負載管理的電力商品
4.1 調節電力
輸電業者為調度系群組內的電力供需平衡,必須使用「調節電力」,已如前述,為了在需要的情況下有充分的備用容量可用,輸電業者必須進行採購調節電力公開招標,得標的電廠或用戶端的可控制負載應依約保留給輸電業者供調節電力之用。
輸電業者依法必須購買三種不同的調節電力:「主要備用電力」(Primärreserve)、「次要備用電力」(Sekundärreserve)及「每分鐘備用電力」(Minutenreserve),這三種備用電力在電源調節速率、供電時段以及最低輸出功率等都有不同要求,得標的電廠或用戶端必須按照這三種備用電力不同的輸電規範技術標準與招標公告條件,提供適合於輸電業者使用的電力。
德國用戶端的可控制負載,也稱為「可停電力」(見4.2),目前已經進入調節電力的市場,但因為受限於現行法定資格審查要件的規定,現階段只能供應每分鐘備用電力,不過隨著新的商業模式與技術的發展,例如透過用戶群代表(Aggregator),也就是虛擬電廠的整合(見5.1),改善最低輸出功率的情況之後,不久後也要開始進入次要備用電力市場。
4.2 可停電力
「可停電力」(Abschaltbare Lasten)屬於調節電力的一種,但不同於輸電業者向電廠調度的電力,是用戶端調節負載需求所節省下來,可供系統平衡調度的電力,在當前越來越多再生能源裝置投入發電市場的情況下,用戶端可控制負載作為調節電力來源的地位也越來越重要。
德國目前全國輸電網的擴建工程仍需要一段時間才能完工,但再生能源發電裝置持續不斷增加當中,因此電網業者(尤其輸電業者)更須採取相應的措施來確保系統運作的穩定。2011年最新修訂的能源經濟法(EnWG)對於電網業者與用戶端可停電力的採購契約內容,作了相當具體的規定,該法第13條明定,輸電業者為避免系統運作受到危害或干擾,有權利並也有義務與用戶端以契約協議的方式使用可停電力。
另一方面,EnWG也明定用戶端的可停電力也是輸電業者用來維持電力系統穩定的市場機制之一,其必須依輸電業者的要求,與輸電業者簽定有償的採購契約,該契約相關的經濟與技術條件,法規也定有強制規定與限制,例如:
— 契約期間最長為1年
— 支付可停電力的報酬不得超過輸電業者因系統中斷所需負擔的費用,目前可停電力保留給輸電業者備用的法定容量價格(Leistungspreis)為每兆瓦每個月2,500歐,如經調度為調節能源時,法定的每度價格(Arbeitspreis)為每兆瓦小時最低100歐,但最高不得超過400歐。
— 供應給輸電業者的可停電力最低負載容量應為50兆瓦(MW)
德國目前的發展,用戶端可停電力對於平衡電力供需的重要性,已經相當接近於傳統電廠的再調度措施。
5. 負載管理的新商業模式—政策推動重點
5.1虛擬電廠
調節電力要求的最低負載容量為50兆瓦,零散的用戶可停電力通常不會有這個容量,技術上必須把這些電力匯集在一個大電力池(pool)的結構下,才有可能進入調節電力的市場。因此,市場上必須有一個單位把不同的小型發電裝置與用戶的可停電力整合起來,這個單位一般稱為「用戶群代表」(Aggregator)。用戶群代表的作用,就是讓不同來源的電力達到最低負載容量的要求,並符合備用電力各種技術標準與條件。因為用戶群代表本身不產電,卻可向輸電業者提供用戶端的可停電力,因此又稱為「虛擬電廠」(virtuelles Kraftwerk)。虛擬電廠是一種隨著電力負載管理應運而生的新商業模式,其作為電力池的營運商,由其先與用戶分別簽約匯集可停電力,然後參加調節能源的投標,出售可停電力,這期間也負責處理輸電業者與用戶之間的聯繫協調作業。
實務上,如果可停電力加入虛擬電廠的電力池成為可出售的調節電力,虛擬電廠就其待命備用的狀態須支付基本的「容量(kW)電價」(Leistungspreis),而當可停電力被輸入成為調節電力時,虛擬電廠必須再支付「每度(kWh)電價」(Arbeitspreis)。但如果是反應速率較低的電力,可供作為調節電力的時間非常少,主要收入來源通常只有容量電價。
5.2智慧電表
浮動電價必須透過資訊的傳遞才能發揮效果,為了讓電力消費者可以充分利用浮動電價的訊息調整用電需求,政策上必須推動用戶安裝智慧電表,藉由智慧電表的普及化,讓用戶可以透過智慧電表顯示的用電量、即時電價與接下來數小時價格預測等訊息,利用電價的差異,調整自己的用電時間與用電量。目前也在發展智慧電表的全自動化系統,讓智慧電表可以按用戶的設定,自動控制負載設備的開關。
為了提高智慧電表的安裝率,能源經濟法第21c條規定,凡是新建建物、大幅整建的建物、年度用電超過6,000度的用戶,以及安裝或架設再生能源或電熱共生設備裝置容量超過7千瓦的用戶或業者,都必須安裝符合規定的智慧電表。同時為了促進電錶市場的發展,同法第21b開放電力(與天然氣)計數和測量業的自由化,進一步將電表業從配電業分割出來,自此電力讀錶不再當然是配電業者的業務範圍,並且明定配電業者必須公平開放系統,如無正當理由,不得拒絕電表業者接取系統的申請。
6. 結語
電力負載管理,在技術上,是透過暖氣、冷氣等空氣壓縮設備、緩衝型儲電設備、熱泵,或是電動車等各種儲能設備的發展,克服電力原本不易儲存的特性,讓電力成為可以儲存的商品,用戶不必隨時依賴電廠供電,電廠也不必為了擔保可靠的電力輸出,而隨持處於高負載的狀態,即使發電機組(含再生能源)供電量不足或過高,也不會影響用電需求與電力系統的穩定性。簡言之,電力負載管理可以讓電力供給面與需求面彼此在時間上脫鉤,讓雙方各自作最有效率的供需安排。
從德國發展的經驗可初步得知,推動電力負載管理,除了儲能技術的發展外,電力市場也必須提供足夠的誘因,讓用戶自願改變用電行為,例如在用電密集度高的工商業用戶的電網使用費裡加收「容量價格」、建立透明的電力交易市場、實現浮動電價等,都是在實務上有效的誘因,這些誘因機制可以讓用戶在節省成本或追求利潤或的過程中,同時實現電力負載管理的政策目標。
不過,德國目前運作中的負載管理方法,對於再生能源電力間歇性供電造成系統不穩定的問題,仍有很大改善的空間,主要的挑戰還是在於如何讓負載管理更快速、靈活,讓電力供應與電力系統能夠更穩定。對此,虛擬電廠與智慧電表應該會是最佳的解決方案,前者能夠讓消費端的可停電力透過專業團隊的技術整合,加入調節能源市場,有效的回應電力系統供需平衡的要求,後者可以讓用戶迅速掌握市場上的電價資訊,配合風電、太陽能發電造成電價波動的誘因,彈性調整用電需求。不過上述這些市場機制與商業模式的發展,都必須要有一個健全自由化的電力市場為前提。(德國柏林洪堡大學法律系黃俊凱博士生)

參考資料:
Koenig/Kühling/Rasbach, Energierecht, 2013
http://www.effiziente-energiesysteme.de/fileadmin/user_upload/PDF-Dokumente/Veranstaltungen/Demand_Side_Management/1_dena_Agricola.pdf
http://www.effiziente-energiesysteme.de/themen/lastmanagement/einleitung.html
http://www.effiziente-energiesysteme.de/themen/lastmanagement/laststeuerung.html
http://www.effiziente-energiesysteme.de/themen/lastmanagement/spotmarkt.html
http://www.effiziente-energiesysteme.de/themen/lastmanagement/spitzenlastreduktion.html
http://www.effiziente-energiesysteme.de/themen/lastmanagement/regelenergie.ht

更新日期 : 2014/06/10