「削峰填谷」有甚麼用？
談談居家能源管理對家戶以及區域配電網的效益
文／Tony Yen (媽盟特約撰述)
如果你有機會去國外看他們的能源展覽，可以發現很大一部份都是在討論居家能源管理的服務。至少這是我之前在慕尼黑參展時得到的印象。
在能源轉型進入正軌的國外，鼓勵家戶自發自用已經成為很重要的課題。許多地區也已經開始討論，怎麼透過居家能源管理，改善配電網的電力品質，提升再生能源併網容量。這其中很重要的觀念，便是要鼓勵抑制居家淨負載。底下我們舉一個筆者在「智慧電網」課程中操作的模擬案例，來討論這種能源管理策略的正面貢獻。
模擬個案簡介：居家太陽能板X熱泵X儲熱系統
我們模擬的案例是一棟在德國的獨立住宅，裝有20kW的太陽能板、20kW的熱泵、20kW的電鍋爐，並且搭配一個200kWh（度）的儲熱槽。該家戶有一整年必須滿足的逐時用熱需求曲線和用電需求曲線。其中，太陽能的發電可以併入大電網，賺取躉購費率（每度0.1歐元），或者直接自發自用，節省購入市電的成本（每度0.25歐元）。
能源管理策略一：最小化家戶支出
很明顯地，倘若沒有其他誘因的情況下，該家戶會選擇能夠最小化一年用電開銷的能源管理策略。由於該家戶沒有儲電系統，用電需求部分的最小化策略很單純：在有太陽能的時候盡可能滿足用電需求，減低對於市電的依賴。
用熱需求的部分，家戶的策略為何，則可從下表中看出端倪。由於熱泵有比電鍋爐更高的產熱效率，能源管理系統會優先選擇調度熱泵；本策略模擬結果，完全沒有用到電鍋爐。
至於是否會利用儲熱系統削峰填谷，則取決於儲熱時間；雖然使用太陽能運轉熱泵，每度熱能的機會成本為0.033歐元，遠低於使用市電的0.083歐元，但儲熱時間越長，中間的能量損失將會增加使用太陽能運轉熱泵的機會成本，可能使最後機會成本高於使用市電。不過在我們的案例裡，只有儲熱時間接近兩天才會發生這種狀況，因此當太陽能產電高過用電需求時，多餘的光電最後幾乎都會拿來運轉熱泵，只有極少數光電最後會併入大電網中。
能源管理策略二：最小化居家淨負載尖值
接下來，我們來看另外一種能源管理策略：最小化居家淨負載尖值。意思是，家戶的淨用電量減去光電併入大電網的絕對值要最小化。
我們先討論只最小化年淨負載尖值的策略。由於德國家戶的一年用熱和用電尖峰都在冬季，這樣的策略對於冬季的能源管理模式影響最大；相對的，它對於夏季的影響就不那麼顯著。如果也要針對夏季的淨負載尖值做出管理，則可以將能源管理策略進一步調整為最小化每日的淨負載尖值。
那麼，這樣的策略成效為何？在策略一，一年的居家淨負載尖值為25.7kW，而在策略二則降至20.1kW。之所以不能再下降的主因是因為本案例的居家沒有裝設儲電設施，所以冬季用電需求尖峰（約18kW）已經設下一個不可能下降的障礙。
另外，在策略二的情境底下，有極小的機會系統會選擇使用電鍋爐。這是因為用熱尖峰時淨負載尖值受到限制，勢必更頻繁使用儲熱系統削峰填谷。在這個情況下，如果單一時刻的熱泵達到最大運轉功率，很有可能就得使用電鍋爐。
為何需要策略二：不同能管策略對配電網的影響
由於更頻繁使用儲熱系統，在沒有其他獎勵制度下，採取能源策略二會使家戶的能源開銷成本增加；額外的能量損失，也代表供應到家戶的市電必須增加。
那麼，有甚麼理由會讓配電業者獎勵饋線用戶降低他們的淨負載尖值嗎？答案是有的，而這必須從不同能源管理策略對配電網的影響來討論。
如下圖，假設現在一條饋線接上7個用電需求、用熱需求、以及光電輸出曲線皆同前所述的住戶，並且都選擇使用了相同的能源管理策略；那麼不同能管策略對於饋線的電力品質，會產生哪些影響？
如下兩張圖，饋線最大供應電功和供應電流的部分，可以看出策略二能夠有效降低冬季最大峰值；尤其是降低每日淨負載峰值的能管策略，能夠產生最平滑的供應電供曲線。
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不同策略產生的饋線最大供應電功逐時特性，一月
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不同策略產生的饋線最大輸出電流逐時特性，一月
至於饋線上的壓降問題，可以看出策略二也能有效提升最小壓降；在電壓最小的家戶四，策略二降低了14%以上的最小壓降量。
不同策略產生的饋線電壓變動情況，一月
饋線要正常運作，都有電功、電流、電壓升降的限制；採用能源管理策略二，是協助配電業者穩定區域電力品質的一種方式。一個簡單的口訣是「百分之五法則」：如果一條饋線的太陽能發電量能夠智慧地削減5%，則在同樣的電力品質限制下，該饋線的太陽能裝置容量可以加倍！
延伸討論和比較
雖然我們舉的例子沒有討論電池，但在當前的國外，太陽能板搭配儲電已經是居家能源管理的基本配備，這樣的系統如果再搭配熱泵、儲熱槽等等裝置，則能管策略的彈性將更高。
若想將這個案例和台灣做比較，可能必須值得留意的地方有二：首先是德國的光電躉購費率已經低於零售電價，所以自發自用對於一般住戶具有經濟誘因；台灣雖然還不到這個階段，但大型用電戶的零售電價已經接近目前國內的光電躉購費率，所以未來類似的能源管理策略很可能會在這類型的用戶中看到。
另外一點是台灣建築沒有太多的用熱需求，而需較注意用冷需求。不過本案例中的供熱設施，除了電鍋爐以外都有相對應的供冷設施（與熱泵對應的是空調系統、與儲熱槽對應的是儲冰槽等等），因此相關的能管操作還是有值得參考的地方。