不再怕停電!日本311震後打造能源韌性社區,三招把你家變供電站

氣候變遷不只是環保議題,它已成為地區能源供應的挑戰。

今年上半年,美國西部遭遇1,200年以來的超級旱象。水力發電廠蓄水量隨之創下新低,導致缺電;六月期間,部分地區的一週電價甚至飆漲五倍之多。

同時,乾旱期間流失了水力發電,又只能依賴天然氣與燃煤生產的電力彌補,導致更高的二氧化碳排放量,形成惡性循環。

▲ 美西面臨嚴重旱災,水力發電廠蓄水量創下新低,連帶影響發電量,今夏可能爆發大範圍停電的危機。
圖為加州的胡佛水力發電廠。

回想今年二月,美國德州同樣經歷百年一遇的極端嚴寒氣候,風雪癱瘓了大型發電機組,造成450萬用戶在嚴寒天氣中無電可用。今年五月,台灣也因歷史高溫、雨季延緩,導致電力分配失衡而分區限電。

可見全球氣候變遷早已不單是環保議題,它對各地能源供應的影響,將超乎以往想像。面對極端氣候越發頻繁的現況,我們在能源結構上該如何應對?

▎能源韌性是什麼?

韌性是什麼?關於「韌性」的定義,可以追溯到霍林(C. S. Holling)在著作《生態系統韌性與穩定性》(​Resilience and Stability of Ecological Systems)。

他提出,觀察特定物種回應環境變化(例如森林大火),而韌性就是物種受到哪些衝擊與損害、又如何恢復到新平衡狀態的過程——若一物種受到較少的影響,或較快進入一個新的平衡,或兩者兼具,就稱之為較具有韌性。

對比「能源韌性」,就是指面對極端氣候、天災或能源危機等不確定性事件時,是否具備「容受力」及「回復力」兩項指標:

  1. 容受力:電網將衝擊影響最小化的能力。
  2. 回復力:在受衝擊後,達到新平衡所花費的時間。

▎具備容受力與回復力的能源機制:分散式能源

我們能不能找到更符合韌性的能源機制?

目前,由上而下的集中式能源,遇上不確定性事件等潛在風險,只要單一節點出問題,供電就可能全面停擺,復原也較為耗時費工。

相較之下,分散式能源則是透過多個發電容量較小的中、小型發電設備,也包括風力、太陽能等再生能源,搭配儲電設備,分散在電網各處。一但有供電機組發生問題,其他設備與機制仍可以繼續供電,在容受力與回復力上更具優勢。

舉例來說,福島核災、815全台大停電,便是極端事件所造成的能源危機。一但發生,便可能對城市產生毀滅性的打擊。但是,由於極端天災的強度與頻率都是高度不確定,用工程手段來因應不僅所費不貲,也無法確保城市能得到百分之百的保護。

而從能源策略規劃的角度,就能運用跨領域的分散式能源結構,提供多元且全面的因應措施,例如需量反應(註1)、微電網(註2)、家用型蓄電池與太陽能系統;同時,也可以從制度面上分散風險,回應極端事件的高度不確定性,降低衝擊。

▎日本能源智慧城市怎麼做?

日本神奈川藤澤市Fujisawa SST以能源物聯網創造能源韌性城市。圖片來源:Panasonic

日本自311地震後,就面臨災區重建、電力不足等挑戰。因此,日本地方政府與企業紛紛積極合作,開發具備能源韌性的智慧城市。其中,最為成功的範例便是松下(Panasonic)與神奈川藤澤市共同打造的智慧能源社區。

這座能源韌性社區有哪些特色?

  • 600戶淨零耗能住宅

社區中,每家每戶都具備獨立太陽能、蓄電池與燃料電池系統,透過家庭能源管理系統(Home Energy Management System, HEMS)的調度,盡量以綠能作為日常用電基礎,實現能源自發自用、自給自足的生活方式。

若有多餘的電力,也可以販售給城鎮設施的建築能源管理系統(Building Energy Management System, BEMS)。透過連接各家戶與城鎮的能源管理系統,達成可獨立、可共享的能源生態。

  • 共享電動車服務

居民藉社區服務系統,就能預約租借共享電動車與電動自行車。租車公司會在指定時間將車輛開至住家附近,即使沒有自駕車的住戶也可以自在移動。而且,發生緊急停電事故時,所有共享車輛都可以透過V2H(Vehicle-to-Home)技術,將車輛電力轉化為家中用電。

  • 不間斷供電服務

停電事故時,用戶可以運用HEMS家庭能源管理系統,設定家中剩餘電力該優先供給給哪些電器,例如提供照明、冰箱、電視和其他日常生活的重要設備。因此,即使停電,家庭也可以透過太陽能發電和蓄電池、燃料電池產生的電力,滿足日常所需。

▎日本電力市場自由化,激發多元能源方案

思維轉變並非一朝一夕,亦非一己之力可以完成。

以日本為例,過去的電力調度,主要由十家電力公司統一主導發電、輸配電、售電業務。但電力自由化市場開放後,約700家電力零售業者一同加入,來自不同背景的業者結合過往產業優勢,推出各式各樣能源解決方案。

例如,建築業者爭相推出以「零耗能住宅」為主的社區建案,透過家庭能源管理系統調度住戶用電,參與能源市場輔助服務;太陽能板業者則開始轉型成為電力供應商,住戶不必負擔高額硬體費用,而是根據太陽能用電度數,從電費單中繳納。另外也有能源零售商,以100%再生能源為訴求吸引消費者,提升綠電使用效率。

透過能源管理系統,家戶也能參與需量反應,讓口袋裡的智慧型手機成為改造城市的一份子。

唯有讓整體市場更加多元,我們才有夠多能源選擇來面對極端氣候。日本近年來在能源制度上的調整,以及近期通過的2050年碳中和目標,值得我們參考與借鏡。(延伸閱讀|在家工作讓用電量創新高!疫情、缺水又限電,台灣電力有解方?|執行長專欄

註1:「需量反應」是透過改變用電需求,使供電量滿足用量。傳統電力系統主要是調整電力供應端的輸出來滿足用電,然而,某些發電機組有操作限制,且尖峰備用機組的成本較高。不同於過去從供應端調整的方法,需量反應從供應端來調整。

註2:「微電網」是將傳統電網的發電、輸電、配電與用電規模縮小,再輔以科技調度與管理,以達成地區特定需求為導向。隨著分散式能源與儲能系統的技術快速進步,小型微電網可從智慧家電、家庭能源管理、家用儲能、電動車、家庭再生能源組合成家用型微電網,擴大至結合大型再生能源、大樓能源管理系統、緊急發電系統、大型儲能系統及地區配電系統,形成社區型微電網或城市型微電網。

本文同步刊載於未來城市@天下

▲聯齊科技創辦人顏哲淵
顏哲淵
聯齊科技執行長