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德國虛擬電廠的發展及運作模式(下)

4. 虛擬電廠的運作模式—以汽電共生設備之整合為中心
4.1迷你型汽電共生設備之運用
4.1.1 法律架構—形成經濟誘因
汽電共生設備具有可控制發電與負載特性,使其在自由化的能源市場上有經濟與技術上的相對優勢。為了鼓勵利用汽電共生設備,德國特別立法提供經濟優惠,補助汽電共生設備的餽網電價與暖氣價格,例如,在2006年時,安裝迷你型或燃料電池之汽電共生設備的使用人可獲得的每度(kWh)餽網電價為5.11分(1/100歐元),如果發電自用,亦即用電不經過電網,還可以從電網公司獲得每度電0.2分的所謂「避免使用電網」獎勵,此外在符合特定條件的情況下,更可進一步減免石油稅(Mineralölsteuer)。由於法律政策形成許多經濟誘因,使得汽電共生設備大幅增加,據統計,德國2010年全年二氧化碳排放量較1998年時減少2千3百萬公噸,汽電共生設備功不可沒。
4.1.2 迷你型汽電共生設備之整合效益與問題
分散在住家或商辦的許多迷你型汽電共生設備,在用電量較低的時段,會把熱能轉換來多餘不用的電力饋到連接的低壓電網之中,然而這種額外的餽電對於低壓電網究竟會造成何種程度的影響,Braunschweig工業大學的高壓技術研究中心(das Institut für Hochspannungstechnik der technischen Universität Braunschweig)進行研究,該中心調查Braunschweig能源系統公司其位在一處新開發住宅區的區域電網資料,以假設該區在2015年的電力供需情境為基礎,進行模擬分析,研究結果發現,當該住宅區住家全部的汽電共生設備一起餽電時,也就是其餽電滲透率達百分之百時,電網會受到很大衝擊,特別是在冬季月份的夜間時段,暖氣與電力的產量頓時增加,會使得電網電流從低壓電網逆流到中壓電網,而且造成部分區段的電壓上升到超出容許值的範圍,最嚴重的情況甚至會造成全區跳電。反之,如汽電共生設備的餽電滲透率約僅有百分之10左右時,對電網則不會有任何影響。
由此觀之,由於電網技術的問題,如果有超過一定數量的汽電共生設備在同一時間都將多餘的電力饋入電網,就會讓電網的安全性與可靠性受到威脅,因此政策上若只是一味的鼓勵住商廣設迷你型汽電共生設備,而沒有其他配套措施,恐怕也是為德不卒。
此外,迷你型汽電共生設備雖然有發電能力,但是在進入備轉容量市場上,並不具備直接與輸電公司簽約的資格,因為第二級與第三級備轉容量的最低招標容量相當大,最初至少要達到30 MW(百萬瓦)(筆者註:之後為了降低虛擬電廠參進的門檻逐步降低至目前的5MW),但是迷你型汽電共生設備的平均容量只有5 kW(千瓦),換言之,投標者必須在其處所有6000台的設備容量才取得基本的投標資格,而且即使得標,還要隨時有專人與輸電公司保持聯繫溝通、回應其調用需求。因此,為了讓住商的迷你型汽電共生設備有機會進入備轉容量市場,進一步提高能源效率、創造經濟價值,必須要有效整合起分散式電源,而當地電力事業或其他能源服務公司很自然的就扮演起重要的角色,如果有這類的電力事業成立虛擬電廠的商業模式,還可以進一步透過簽定合約承包的方式,進行長期合作。
因此,隨著迷你型汽電共生設備的增加,為了增加設備的經濟效益,整合電量進入備轉容量市場,電力事業或能源服務公司可以運用的方式,一種是單純對設備進行監控,另一種是積極提高設備發電量。前者是指電力事業事先預估住商於隔天暖氣的燃氣消耗量,以此為基礎算出設備同時相應產出的發電量,將該發電量納入隔日供電的排程計畫之中;後者則是讓設備加入提供電網輔助服務的行列,也就是除了住商日常的供暖之外,電力事業再為汽電共生設備另外加裝蓄熱器,讓設備可以額外產出更多的電力,增加容量出售到備轉容量市場上。在這些商業模式之下,分散的迷你型汽電共生設備就在電力事業的控制下,群集成所謂「虛擬的」電廠。
由此可見,透過迷你型汽電共生設備的集中調控,不僅可以避免電網饋入多餘的電力,也可以在備轉容量市場上獲利,大幅提高其經濟效益。
不過,經濟效益的高低也必須要從投資與獲利機會的相對角度來觀察。在一般的技術條件下,迷你型汽電共生設備在備轉容量市場上只能提供第三級備轉容量,因為第二級備轉容量在簽約後,供應商必須立即為輸電公司穩定的保留6個月的備轉容量,但是迷你型汽電共生設備在全年度間會隨著季節變化而改變其備轉能力,冬季時段因為幾乎是全日供暖,設備達到接近百分之百的利用率,電力備轉能力堪稱充足,但是到了夏季時段,因為住商用戶的主要需求只有熱水,其備轉能力便顯著下降,而且即使有加裝蓄熱器,所能夠提供的幫助還是有限,因此整合迷你型汽電共生設備的電力並不適合參加第二級備轉容量市場。而第三級備轉容量為每天為隔日所需的容量進行招標,故比較適合迷你型汽電共生設備這種受季節性、天候因素而波動的容量來參加投標。
此外,虛擬電廠營運轄下的迷你型汽電共生設備時,在某些情況下,雙方也會有利害衝突。因為設備所有人的目標是要供應自宅或商辦最佳C/P值的暖氣與電力,故一開始都不太容易接受釋出設備容量給他人使用,而為了要保證住商與虛擬電廠雙方都可獲得充分的電力,有時就必須擴充設備的尺寸容量(Überdimensionierung, oversizing),但是費用也會隨之增加。為促進雙方的合作,能源公司方面就必須提出一些經濟誘因,擴大與設備所有人共享利潤,例如,約定設備維修費用、雙邊通訊連線費用,或是必須擴充設備的尺寸容量時,這些費用原則上都由能源公司來負擔。
4.2 削減尖峰負載與優化負載流量
削減尖峰負載,是指提高分散式電源的發電比,降低傳統電廠所需負擔的發電量,來達到降低後者尖峰負載的效果。分散式電源的特色,是直接在用戶端就近發電與供電,可降低用戶對大型電廠的發電需求,並且可因此節省電力通過電網,亦即電力從特高壓或高壓電網一路傳到低壓電網所必需支付的電網使用費,讓終端用戶享受到比較便宜的電費。以迷你型汽電共生設備為例,其最大的發電量出現在冬季月份,在這個時段因為供應暖氣的需求使得設備的發電利用率達到滿載,可有效抒解傳統電廠的負載尖峰,同時也可利用其發電在集中市場上獲利,當電力需求大、價格上漲的時候,增加發電出售,等到在電力需求低的時段,再減少發電量。
除了在每日價格波動的集中交易市場外,分散式電源也可以協助優化電網的負載流量,也就是一般所謂的提供電網輔助服務,在電網負載大的時候,增加分散式電源的發電,來降低某個電網區段的流量負擔,以充分利用發電系統的整體優勢來協助維持電網穩定與可靠,這點如果從汽電共生設備的角度來看,其所能發揮減輕電網負載的作用,冬季會比夏令時段更佳。由於多了分散式電源這項可資運用的工具之後,對於電網業者而言,除了傳統的增建電網之外,更增加了一項新的投資選擇。
5. 虛擬電廠的發展機會
德國產生能源的二氧化碳總排放量中有百分之40是來自於發電,其中煤炭與石化發電就占了絕大部分,目前適值德國推動「能源轉型」(Energiewende)的過程,在2011年日本福島核變發生後不到三個月,聯邦議會已經在同年6月8日作成決議,到2022年以前,德國的核電廠要全數除役,也就是走向「終極廢核」(Kernenergieausstieg)。由於這個時程日益接近,各項永續發展的替代方案刻正緊鑼密鼓的建置中,不過如果因此反而造成燃煤發電的比例升高—即使新型火力發電廠的排碳量比起現有的舊電廠要少了百分之30—,勢必會與氣候保護的基本目標背道而馳。因此,除了提高能源效率之外,德國必須擴大發展以再生能源及汽電共共生設備為基礎的分散式發電系統,如前所述,虛擬電廠在此系統中擔任整合電力供輸的關鍵角色,未來將會日益重要,因此德國的能源政策已經對於虛擬電廠的發展,於再生能源與汽電共生完成相關法令的鼓勵與優惠措施。
虛擬電廠的產業發展機會,在於解決與分散式電源連線與調控的技術之後,會引發電廠替代需求(從集中到分散/從大型到小型)與填補電力缺口之需求,目前看來,在德國的虛擬電廠必須至少匯集到500 MW(百萬瓦)的裝置容量,才能夠與傳統電廠競爭。不過即便如此,傳統電廠在基載容量與中載容量方面仍有相當優勢,目前仍非虛擬電廠所能輕易取代的。
而從再生能源發展的角度來看,風力發電不僅在再生能源發電比例中最高,其占德國總體發電量的比例也不斷升高,不過風力發電為間歇性電力,必須有具備電力餽網控制能力的電廠(如虛擬電廠)或設備(如儲能設備)來搭配,才能提高風電的供電效益,而未來不具備這項控制技術的電廠或設備,為了避免間歇性電力餽網造成電網的障礙,將受到法令嚴格的要求或限制,而加速其淘汰。
6. 虛擬電廠商轉的實例
6.1 提供備轉容量的虛擬電廠—STEAG Saar Energie AG
德國的第一家虛擬電廠,是由STEAG Saar Energie 股份有限公司成立經營,其在2003年首次整合15家產業與地方型的發電機組併網,後來陸續連結的電廠或發電機組範圍逐漸擴大,其位於Saarbrücken邦的公司總部除了控制所屬達2000 MW的機組外,也調控散佈在全國各地的風電機組、汽電共生設備,這些分散式電源總容量約有140 MW(2007年)。一般較有發電規模的電廠或機組,若未與虛擬電廠連線,就只能發電自用,或是將電力賣到集中交易市場,反之,如果透過STEAG Saar Energie這種提供可以備轉容量的虛擬電廠,就可以把電力賣到備轉容量市場,賺取額外的利潤,尤其是當輸電公司不要求調度電力時,發電機組即使沒有實際投入運轉,也可替輸電公司保留備轉量而獲取容量報酬。
STEAG虛擬電廠為了提供第三級備轉容量所取得的電力,不僅有來自機組的投產電力,也包含用電密集產業,例如石化業、工業園區等自主減少用電所降載的電力,後者的情形,這些業主在進行企業內部的負載管理時,會先衡量省下來的電力出售到備轉容量市場的獲利,是否會高於或足以填補因此減產或停產所受的損失。可知,透過虛擬電廠,發電機組或設備所有人或管理人會增加許多獲利模式。
STEAG 虛擬電廠商轉之後,可以發現,在電力與暖氣需求高的冬季月份,發電機組或設備所有人為了節省電網使用費,傾向於發電自用或出售給當地用戶,對於投入備轉容量的收入較不感興趣。因此也證實,透過虛擬電廠的彈性調控,可以讓分散式電源在離峰時段提供電力到備轉容量市場,協助電網穩定,在尖峰負載時段則可以減輕大型電廠與電網的負擔。
7.2 Unna縣級電力事業(Stadtwerke Unna)的虛擬電廠
2004年底,位於德國北萊茵威斯特法倫邦(Nordrhein-Westfalen)的「Unna虛擬電廠」示範計畫開始進行商轉,該計畫係由Unna縣電力公司(Stadtwerke Unna GmbH)與其他成員共同參與主導,目的在開發虛擬電廠的通訊連線技術與商業模式,其獲得歐盟與邦政府一共140萬歐元的補助,相關的發電機組與設備分佈在該縣境內,包含五個汽電共生廠、兩個風力電場、一個太陽能發電廠以及水利電廠,這些分散式電源都接受虛擬電廠的能源管理系統的控制與調度,並根據該系統的預測軟體進行發電排程,而與虛擬電廠之間的連線是透過Internet、IDSL和電力網。
Unna虛擬電廠的運作成果,可為Unna縣電力公司削減5.1 MW的尖峰負載,減少當地4萬6千300噸的二氧化碳排放量,並透過分散式電源就近在用戶端發電與供電,大幅降低輸電過程的電力耗損。Unna虛擬電廠在第一年的運轉,總計供應了2千6百萬度(kWh)的電和4千9百萬度的暖氣。
8. 結語
在德國,經過10多年來的努力,虛擬電廠已經從理論概念轉化成現實的能源產業,無論是上述的Unna或是STEAG Saar Energie的虛擬電廠,或是更近期(2012)聯邦政府「E能源計畫」之一的「Harz虛擬電廠示範計畫」,都已發展出各種可行的商業模式,並成功進行商轉。藉由虛擬電廠進入能源市場,可提高分散式電源的能源效率,節省初級能源的耗用,這對於逐漸短缺的石化燃料與越來越昂貴的資源耗用而言,都具有重大意義。
不可否認的,德國虛擬電廠的成功,法規政策面的推動扮演著關鍵的角色,另一方面則是需要有先期資金的挹注,因為無論是土地取得、設備的通訊連線技術、建立EMS系統、預測軟體,以及商業模式的建立、當事人權利義務關係之設計等,初期都需要政府部門的協助,德國即是採取由政府(或歐盟)協助成立示範區進行先期實驗,如果相關技術與商轉模式發展成熟,即公開成果與經驗,吸引企業資金投入,最終讓虛擬電廠在德國「夢想成真」,成為邁向「能源2.0」時代的關鍵產業,進一步為能源效率、地球生態和環境保護做出具體的貢獻。(德國柏林洪堡大學法律系黃俊凱博士生)
參考資料:
Bauknecht, D., Bürger, V. (2004): Energiewirtschaftliche Bewertung Braunkohletagebau Garzweiler I/II. 瀏覽網址:http://www.oeko.de/oekodoc/198/2004-007-de.pdf
Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) (2012): RegModHarz Arbeitspaketbericht_ Marktbedingungen und Zugangsvoraussetzungen zum Strommarkt 2012, S.66ff.. 瀏覽網址:http://www.regmodharz.de/fileadmin/user_upload/bilder/Service/Arbeitspakete/2013-01-28_Arbeitspaketbericht_Marktzugangsbedingungenx_01.pdf
Klemusch, M. (2006): Virtuelle Kraftwerke – Ein sinnvoller Verbund von Kleinanlagen?, GRIN 2006, S. 1ff.
Schwaegerl, C. (2002): Integration dezentraler Versorgungsstrukturen in das Versorgungsnetz, in: Hake, Jürgen.Friedrich (Hrsg.): Erneuerbare Energie: Ein Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung? 2002, S. 142-150

更新日期 : 2020/10/06