台灣夏冬再生能源與殘載特性比較 JANUARY 14, 2021 能源萬象 關鍵字 ： 台灣、風、太陽、再生能源、負載、台灣、風、太陽、再生能源、負載、儲能 ※封面圖片源自維基百科 台灣夏冬再生能源與殘載特性比較 文／Tony Yen (媽盟特約撰述) 去年夏天筆者寫了一篇〈台灣的風能和光能在夏天有多給力？〉，說明目前太陽能跟風能在用電尖峰的夏季所具有的容量價值，以及未來它們對於台灣電力系統的巨觀影響將會如何。 目前，即使在用電量較高的夏季，變動型再生能源對殘餘負載已經有不容忽視的影響，這讓人不禁好奇風能和光能對於冬季的殘餘負載曲線會有怎麼樣的效應？讓我們用過去幾週的實際數據來做分析！ （注：除非有特別說明，否則本文分析和推估所使用的資料，夏季為2020/07/28-2020/08/17、冬季為2020/12/17-2021/01/06台電的每10分鐘一筆逐時資料。） 夏冬電力系統逐時特性比較 圖（一）是利用去年的實際數據，得出的夏冬兩季在現在（太陽能4.870GW、風能0.852GW）、2025年（太陽能20GW、風能6.7GW）、以及2035年（太陽能40GW、風能16.7GW）的每日平均逐時特性。由這張圖可以看出，目前因為風能機組裝置容量較少、太陽能在冬季發電量亦較少等因素，使冬季再生能源對於電力系統的影響較不顯著；然而由於台灣在冬季用電量較少，當太陽能和風能裝置容量持續成長，未來再生能源在冬季對於殘餘負載會有更明顯的效應。 筆者過去即曾預測，在2025年到2030年之間，台灣在冬季或早春就會出現第一次殘餘負載小於0的負殘載事件（當然，實際上屆時台灣的電力系統可能不夠彈性，造成輸電業者必須削減風光電力輸出）；實際資料推估的結果，到了2035年的冬季，中午部分時段殘餘負載的平均值已經趨近於0－那個時候，除了遇到假日幾乎必定出現負殘載事件以外（見圖（二）），某些風光發電旺盛的平日中午也出現負殘載事件；從2020年12/16到2021年1/13日共28天電力系統實際資料做推估的結果，2035年冬季有超過4成的機率，在中午會出現負殘載事件。如此劇烈的殘餘負載變動，顯示了需量反應、彈性機組、部門耦合、儲能等彈性資源的必要性（當然，風光機組也應該變得更彈性）。 根據2021年1月2日實際數據所做之未來風光發電和殘餘負載推估。推估在當天的條件下，2035年時從10:00到14:50台灣電力系統的殘餘負載會持續小於0。 風光與對應殘載的頻譜特性 我們接著來看風能和光能電力輸出的時間序列特性。圖（三）根據去年實際數據，求出夏冬兩季風光容量因數的功率頻譜密度（power spectrum density）函數。 眾所周知，太陽能的發電受地球自轉週期主導，有著非常明顯的日週期性；半日週期性的高頻項，則是同日早上與下午太陽能發電差異所造成的。另一方面，風能發電在夏季的功率頻譜密度符合自相關時間序列的典型特徵（功率由低頻項開始緩降），在冬季才因為中等尺度的天氣系統變化主導，有比較明顯的單週、半週等中尺度週期性訊號。 我們也可以分析2020年、2025年、以及2035年殘餘負載的頻譜特性；圖（四）是其結果。圖中可以明顯看到，隨著越多再生能源併網，殘餘負載的日週期性訊號會越來越強烈。由於在未來，電池等短期儲能主要的工作之一便是弭平殘餘負載的單日週期性變動，因此圖（四）顯示的日週期性訊號可以視為電力系統對短期儲能需求的參考指標之一。 風光配比和季節性儲能需求的關係 台灣夏季太陽能的平均容量因數為16.4%、冬季為10.1%；夏季風能的平均容量因數為5.5%、冬季為50.1%（注）。風光兩種再生能源明顯的季節性差異，代表不同風光裝置容量的配比，對於殘餘用電量的季節性差異也會有顯著影響，值得預先考慮。 （注：這數據主要代表陸上風能機組的狀況，未來台灣以離岸風能機組主導風能發電的特性，夏冬兩季的平均容量因數應該都會提高。） 在圖（五）中我們可以看到，在本文對2035年的用電量假設和前述夏冬平均容量因數下，不論風光配比如何調配，在合理路徑中冬季的殘餘用電量皆小於夏季；事實上，就算完全不發展風能，也要100GW的太陽能才能完全弭平夏冬兩季的季節性差異。圖（五）也可以看出，當太陽能和風能的裝置速率保持在7比1左右，夏冬兩季殘餘用電量的差異會保持不變（因為(50.1-5.5)/(16.4-10.1)大約等於7）。 台灣 2035年季節性不平衡（夏季減去冬季的殘餘用電量值） 在不同風光配比下的每日平均。 由於季節性儲能主要的工作便是對一整年的殘餘負載做削峰填谷，夏冬殘餘用電量的差異是電力系統對季節性儲能需求的參考指標。當然，實際上需要多少季節性儲能裝置容量，仍需對完整一年的殘餘負載曲線做分析才能定量求出。