智慧電網也要配合天氣(2/3)

撰文／Peter Fairley｜譯者／甘錫安
轉載自《科學人》2018年9月第199期

利用巨量天氣資料

布魯姆率領的NREL研究團隊和多位專家例如愛荷華州立大學的麥卡利（James McCalley）正進行一項重要研究，評估東西部聯網增加電力調度的效益。聯網結合研究（Interconnections Seam Study）率先採用空間和時間解析度極高的風能和太陽能最新資料，產出的模擬結果更精確。NREL的資料以每五分鐘為間隔，提供全美整年的天氣和能源流量資訊，並以每兩平方公里繪製風力分佈圖和以每四平方公里繪製太陽能分佈圖，這些詳細資料是了解哥倫比亞河峽谷等複雜地形中風力變化的重要依據。此外，NREL也可藉由預測各海拔的風速，選擇適合不同地點的風力渦輪機技術。集眾人智慧產生的模擬結果，我們可了解如何在2040年之前把美國（不包括德州）的再生能源供電比率既經濟又穩定地提高到超過54%，這比目前高出很多。

模擬結果消除了東西部聯網的分界，方法是沿兩區域邊界鋪設數條大容量直流輸電線把兩者結合起來，或者透過從美國西岸到中西部的長距離直流輸電線，加上由路易斯安那州至弗羅里達州的主輸電線路，結合東西部聯網。直流電在長距離輸電的損耗遠少於交流電，因此採用直流輸電線較經濟。根據NREL的模型，研究人員可計算出輸電線路該承載多少電力，以及建造新發電機的地點，讓改良後的輸電系統能充份發揮功用。

這些模型為「智慧天氣最佳化系統」提供了許多機會，例如在更多地點建造多種風力渦輪機和太陽能板，而非如同現今集中設置在少數風能或太陽能特別充沛的地區。NREL的能源建模人員布林克曼（Greg Brinkman）表示，這麼做將可穩定利用再生能源，而不需要如此依賴傳統電廠的儲電量。他說：「多樣化是規劃此系統的原則。」

NREL的模型建立方式相當複雜精密，凸顯智慧天氣系統長久以來面對的挑戰。舉例來說，麥卡利簡化了一些模擬程序，減少每次模擬所運算的時間，但是也需要6~7天。此外，把再生能源發電機分配至特定地點時，採用簡化的時間和空間資訊，而不採取每五分鐘的間隔和每四平方公里的精確度。

NREL研究團隊也預先設定直流輸電線的起點和終點，以避免布魯姆所謂「數學上難處理」的計算過程。結果，該模型不一定能讓發電機和輸電線路同時達到最佳化。不過NREL的初步結果仍顯示，長距離直流輸電線每年可減少燃煤和天然氣的費用，省下38億美元，超過建置成本的三倍。不過如果直流輸電線配置得當，每公里可省下更多錢，更可減少碳排放量。

歐洲希望在2040年可用再生能源穩定供電，為了重新規劃歐洲電網所建立的模型，顯示NREL的模擬結果可能無法完全發揮再生能源的潛力。位於比利時布魯塞爾的歐洲輸電調度中心協會（ENTSO-E）在2030年電網模型中添加風力、太陽能和其他再生能源的發電機，把再生能源的供電比率大幅提高到75%。該協會的專家進一步擴增各國間的聯網，紓解季節電力瓶頸。最後，他們重新調整發電機的配置，讓重新規劃的電網充份發揮潛力。根據反覆最佳化的過程，在2040年電網模型中，再生能源供電比率大幅提高到超過80%。

更好的演算法？一位獨立研究人員宣稱，他能結合所有模型的技術，發掘出更多天氣資料的價值。克拉克（Christopher Clack）是電網模型建立和電力需求預測機構「活力新能源公司」（Vibrant Clean Energy）的執行長，該公司位於美國科羅拉多州。他在美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）工作了四年，開發出先進的天氣電網演算法。他於2016年推出商用軟體WIS:dom。

克拉克表示，WIS:dom和NREL都採用高解析度天氣資料，但運作方式不同，WIS:dom能為再生能源創造出更多機會。近年他分析美國大型電網並提出一套電力系統：再生能源在2040年可提供62%的發電量，比NREL最近的預測多出20%。該電網的電價也比目前便宜10%。克拉克表示，如果把省下的錢用來開發輸電系統，他的模型可提高再生能源的供電比率到67%，而且在2040年之前就能完成。

克拉克表示，WIS:dom能更有效利用天氣資料，因為該軟體與NREL不同，不需預先設定輸電線路的起訖點，可同時讓電廠和輸電系統達到最佳化，尤其是長距離直流輸電線。這套模型也納入全美再生能源發電機的每小時資料，進一步平衡偏遠地區的風能和太陽能。舉例來說，我們能透過WIS:dom知道，德州夜間增強的風力何時可補足美國東岸沿海夜間減弱的風力。克拉克說：「每個地區都能在不同時間協助其他地區。」麥卡利也承認NREL的模型有其限制，在這方面可能不足，但他也質疑簡化模型是否造成這麼大的差別。

克拉克表示，他的模型「只需要」運算兩天，就能產出更優異的電網模擬結果。專家指出，克拉克的整合模型或許是智慧天氣系統的重大突破。阿爾史托姆表示：「克拉克已經使系統的精確度更上一層樓。」

然而，WIS:dom仍然欠缺驗證。阿爾史托姆、布魯姆和其他專家都想進一步了解克拉克研發的模型如何運作，以驗證可靠度。布魯姆表示：「克拉克很聰明，他所研發的模型很棒，只是我不清楚他是怎麼辦到的。」克拉克似乎不太可能透露細節，畢竟他要把軟體的模擬結果賣給能源公司，並建議地區電網業者和輸電線路建造商該把數十億美元投資在什麼地方。(待續)

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