原文標題：應(yīng)對電力系統(tǒng)的脆弱性？提高彈性能力/Can the Electricity Industry Seize Its Resilience Moment:
發(fā)布日期：美國時間2018年11月12日
發(fā)布媒體：杜克能源/中國儲能網(wǎng)/中國能源網(wǎng)
文章推薦：Xuan Zhang博士
哈佛大學(xué)博士后、牛津大學(xué)博士，擁有豐富智能電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗
電力系統(tǒng)的彈性指的是其在故障、自然災(zāi)害、人為破壞（如網(wǎng)絡(luò)攻擊）等情況下的快速應(yīng)對能力及恢復(fù)能力。隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大規(guī)?；?、復(fù)雜化及系統(tǒng)內(nèi)不確定因素的增加，彈性這一指標越來越受到系統(tǒng)管理者、使用者的重視，亦成為商業(yè)投資領(lǐng)域關(guān)注的焦點之一。相比于傳統(tǒng)能源模式，新能源（尤其是光伏）加儲能組合的引入可以有效地提高電力系統(tǒng)的彈性；微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的推廣也能令電力系統(tǒng)在各種極端情況下變得更加堅固可靠：這些變化正在悄然發(fā)生，高彈性電力系統(tǒng)的未來可期。
美國能源部（DOE）今年5月宣布，作為美國能源部高級能源研究計劃署（ARPA-E）新計劃的一部分，將投資3000萬美元的項目資金，其中包括電力儲能持續(xù)時間（DAYS）項目的投資。DAYS項目團隊將構(gòu)建創(chuàng)新技術(shù)，以實現(xiàn)電網(wǎng)的長時間儲能，可以提供10至100小時的可靠電力。
儲能系統(tǒng)將在未來的彈性電網(wǎng)中扮演越來越重要的角色。儲能系統(tǒng)提供重要的服務(wù)，其中包括提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，提供備用電源，并允許更大程度地整合可再生資源。當今主導(dǎo)的儲能系統(tǒng)具有一些局限性，限制了其作為長期電力解決方案的應(yīng)用，特別是其高昂的成本。
美國能源部長Rick Perry說，“構(gòu)建未來的電網(wǎng)需要新的工具和技術(shù)來確保人們獲得可負擔(dān)得起的安全能源。美國能源部正在關(guān)注能源領(lǐng)域，并確定我們需要支持未來電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。這些新的儲能選項將為我們提供機會，使電網(wǎng)更具彈性，同時實現(xiàn)美國能源資源的更好整合。”
電力儲能持續(xù)時間（DAYS）團隊將開發(fā)可部署在幾乎任何位置的儲能系統(tǒng)，并以每一個周期的成本目標放電，遠低于當今可用的儲能系統(tǒng)。
此次資助將會對一系列儲能技術(shù)進行開放性的選擇，其中包括熱學(xué)、機械、電化學(xué)、化學(xué)等，其挑戰(zhàn)是成本目標、選址、功率輸出和工作周期一系列要求。
每當天災(zāi)過后，能源安全的議題就會再度受到重視，2012 年時珊迪颶風(fēng)侵襲美東，造成紐約等地大斷電，當時分布式能源的各種技術(shù)還在實驗階段，成本較高，本來不受重視，只在學(xué)校進行小型學(xué)術(shù)性試驗，但當珊迪來襲，紐約一片黑暗，紐約大學(xué)校區(qū)因設(shè)置熱電共生分布式能源系統(tǒng)，有電、有燈光、有暖氣、有熱水，成為災(zāi)區(qū)中的救難綠洲，其他如紐澤西州普林斯頓大學(xué)校區(qū)、康乃迪克州的南溫莎（South Windsor）高中，也扮演相同角色。
5年過后，相關(guān)技術(shù)成本已大為下降，然而分布式能源發(fā)展仍侷限于特殊應(yīng)用，如偏遠地區(qū)等尚未能完全普及。哈維颶風(fēng)侵襲，再度提醒世人集中式電網(wǎng)對應(yīng)巨災(zāi)的脆弱性，以及分布式能源的重要。臺灣許多人對分布式能源完全沒有認知，經(jīng)常誤以為把電網(wǎng)切八段叫分散，或誤以為只有分布式太陽能才是分布式能源，事實上，分布式能源的領(lǐng)域非常廣，從最傳統(tǒng)的備援柴油發(fā)電機，到最高階的微電網(wǎng)系統(tǒng)，都是分布式能源的一環(huán)。
哈維颶風(fēng)摧毀了輸配電設(shè)施，造成超過20 萬戶斷電，而大水造成電力公司根本無法前往搶修，于是大多數(shù)沒有備援電力的用戶，就這樣被遺落在黑暗中。德州大多數(shù)居民具有分布式備援電力資源，多半還是傳統(tǒng)在車庫里的柴油發(fā)電機，這些柴油發(fā)電機盡管污染大，也不是什么最新科技，但是能讓冰箱有電，食物不會腐壞，也能讓重要的商家開店運營，以及維持醫(yī)院運作。
家中沒電或許只是不方便，商家沒電可能只是少賺點錢，但對大型機構(gòu)來說，備援電力準備是否充分至關(guān)重要。醫(yī)院仰賴備援電力保住病人性命，珊迪颶風(fēng)時，紐約就發(fā)生醫(yī)院備援柴油發(fā)電機故障，導(dǎo)致病患得在風(fēng)雨中轉(zhuǎn)院的慘劇。在德州，此次哈維颶風(fēng)也讓多家醫(yī)院發(fā)現(xiàn)備援電力失效，導(dǎo)致16 家醫(yī)院關(guān)閉、1,000 多名病患得在風(fēng)雨中轉(zhuǎn)院。
此外，哈維颶風(fēng)還吹垮了化學(xué)工廠。2004 年由道達爾（Total）重整時獨立而成的阿科瑪（Arkema）化學(xué)，其在德州克勞斯貝的化學(xué)工廠，受到哈維颶風(fēng)侵襲，不僅打斷電網(wǎng)供電，也淹沒柴油發(fā)電機，造成兩組備援電力系統(tǒng)失效，過氧化物冷凍儲槽斷電，阿科瑪員工連忙把過氧化物轉(zhuǎn)移到柴油發(fā)動的冷凍柜拖車上，但其中8 輛也發(fā)生故障，員工只好緊急撤離，過氧化物升溫后分解，產(chǎn)生有毒煙霧，最后著火爆炸，消防單位疏散方圓1.5 英里范圍。爆炸后散發(fā)的毒霧讓許多警消人員都因為呼吸道刺激而送醫(yī)。
相對的，在哈維颶風(fēng)巨災(zāi)中，休士頓的德州醫(yī)學(xué)中心（Texas Medical Center ）卻是有備無患。2001 年時，颶風(fēng)艾利森來襲，造成德州醫(yī)學(xué)中心損失20 億美元，在這次慘痛教訓(xùn)后，院方痛定思痛，斥資5,000 萬美元，建立一系列防水門，以阻擋可能的洪水；此外，也找來熱電共生系統(tǒng)商熱能（Thermal Energy）安裝熱電共生系統(tǒng)。當哈維颶風(fēng)來襲，德州醫(yī)學(xué)中心安然繼續(xù)運營，確保所有病人的安全。
德州H-E-B 連鎖超市也獲益于及早引進分布式能源系統(tǒng)。H-E-B 連鎖超市與微電網(wǎng)服務(wù)商迷巖（Enchanted Rock）合作，以每月付固定服務(wù)費用的方式，讓迷巖為大休士頓地區(qū)63 家店面安裝、維護、運營燃氣發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)。在平時，這套系統(tǒng)主要是用來在尖峰時間減少使用高價用電，或是甚至可逆向售電給德州獨立電網(wǎng)ERCOT，這套系統(tǒng)也設(shè)計了“孤島模式”，也就是當?shù)轮蓦娋W(wǎng)斷電時，可以做為獨立的微電網(wǎng)運作。當哈維颶風(fēng)侵襲導(dǎo)致大斷電時，18 家H-E-B 連鎖超市進入孤島模式后，可從不受狂風(fēng)與水災(zāi)影響的地下天然氣管線取用天然氣，成功自我供電，而能持續(xù)運營。
可從防災(zāi)的能源安全角度出發(fā)
分布式燃氣發(fā)電不僅成本低于柴油發(fā)電，也更可靠，讓天然氣成為取代傳統(tǒng)柴油發(fā)電機的選項。迷巖的燃氣發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)目前總安裝容量已經(jīng)達130 百萬瓦（megawatt），并且無需補貼就有市場經(jīng)濟效益。
德州也有結(jié)合太陽能、能源儲存、建筑能源管控系統(tǒng)的較復(fù)雜微電網(wǎng)。達拉斯電力公司安可（Oncor）就建立了一個示范微電網(wǎng)，此外，美國能源部也出資，挹注德州理工大學(xué)成立的可再生能源產(chǎn)學(xué)平臺奈爾集團（Group NIRE），建立物聯(lián)網(wǎng)能源管控系統(tǒng)，控制電池、電動車、空調(diào)設(shè)備、電熱水器、LED 照明等100 項設(shè)備，以達成穩(wěn)定管理微電網(wǎng)的目標，不過這兩個計劃都未受哈維颶風(fēng)侵襲的考驗。
佛羅里達州的主要電力公司之一，佛羅里達電力照明公司（Florida Power & Light）在2005 年威瑪颶風(fēng)侵襲造成350 萬人斷電之后，自2006 年起，投注30 億美元升級既有電網(wǎng)，提高對天災(zāi)的防備能力，包括將木柱電線桿改為混凝土、在變電所安裝洪水監(jiān)測裝置，以保護低洼地區(qū)的變電裝置，也安裝智慧電表，以便一旦電力網(wǎng)絡(luò)受損時能立即察覺并嘗試繞過受損地區(qū)。
但是哈維颶風(fēng)之后，緊接著艾瑪颶風(fēng)來襲，佛羅里達州仍有900 萬人斷電，相當于4 成居民，喬治亞州與南卡羅來納州也有100 萬人斷電，另外杜克能源所屬區(qū)域也有100 萬人斷電。在艾瑪颶風(fēng)的強風(fēng)侵襲下，連混凝土電線桿也應(yīng)聲折斷，地下設(shè)施在颶風(fēng)帶來暴潮下淹沒，大量設(shè)施損毀無法修復(fù)，必須重建，導(dǎo)致需要數(shù)周時間才能復(fù)電。
佛羅里達電力照明公司認為已經(jīng)打造全美最強化、最智慧的電網(wǎng)，但仍然無法抵抗艾瑪颶風(fēng)，這再度提醒世人集中式電網(wǎng)面對天災(zāi)的脆弱性。當前的集中式電網(wǎng)，任何輸配節(jié)點受損，就會造成后續(xù)區(qū)域或完全斷電，這樣的弱點，想要靠電網(wǎng)能全面升級加強至“金剛不壞”來彌補，由佛州經(jīng)驗可知，既曠日廢時、效果不彰，經(jīng)濟上也不切實際。
分布式能源發(fā)展的第一步，并非立即取代現(xiàn)有的集中式電網(wǎng)，而是補其不足，既然無法把集中式大電網(wǎng)所有環(huán)節(jié)都打造得固若金湯，那就先從備援的思考角度補強。重要設(shè)施，小自紅綠燈，大到醫(yī)院、重要工廠，都必須建立自有的分布式能源，以因應(yīng)一旦天災(zāi)人禍，不會因為缺電而釀成更大災(zāi)害。民生方面，住宅或社區(qū)有一定分布式能源備援能力，雖然可能不足以吹冷氣，但至少冰箱有電，食物不會腐壞，抽水機有電，保持水塔有水，就能安然度過災(zāi)情。
繼珊迪臺風(fēng)之后，此次哈維、艾瑪颶風(fēng)連續(xù)來襲，引起美國又一波分布式能源思考，紐澤西州公共事務(wù)委員會（New Jersey Board of Public Utilities）近來批準城中市區(qū)對微電網(wǎng)應(yīng)用的研究，就表示珊迪颶風(fēng)、哈維颶風(fēng)的災(zāi)情，提醒人們需要更多準備，需要打造先進微電網(wǎng)以因應(yīng)下次災(zāi)情。隨著極端氣候現(xiàn)象越來越顯著，分布式能源的概念，可望先從防災(zāi)的能源安全角度出發(fā)，打下第一個利基市場。
當颶風(fēng)哈維和伊瑪席卷美國南部時，造成的斷電事故影響了數(shù)百萬人。在這類自然災(zāi)害發(fā)生時，保持供電將比平時更加關(guān)鍵。落基山研究所的研究認為，在城市和電力公司的重建過程中，可以考慮更具有前瞻性的解決方案使得電網(wǎng)更具彈性，如使用分布式能源，尤其是通過在配電網(wǎng)配置太陽能發(fā)電和電池儲能設(shè)施等方法。
事實上，越來越多的證據(jù)表明，無論是一個州還是一個國家，都能夠利用可再生能源、能效、需求響應(yīng)和其它分布式能源資源替代老舊的、高成本的化石燃料熱電廠，以更低的成本為電網(wǎng)服務(wù)帶來更高的可靠性與彈性。
通過分布式能源資源提高電網(wǎng)彈性
全美各地的許多城市和大學(xué)都認識到了這一點。馬薩諸塞州斯特林鎮(zhèn)的斯特林政務(wù)照明部門在該鎮(zhèn)修建了一套太陽能發(fā)電加儲能設(shè)施的微電網(wǎng)。這套3兆瓦太陽能發(fā)電和2兆瓦/3.9兆瓦時電池儲能設(shè)施能夠在該地區(qū)斷電情況下保證鎮(zhèn)警察局和醫(yī)院急診調(diào)度中心運行至少2周的時間。美國西海岸也有這樣的案例，在加利福尼亞州博里戈斯普林斯的輸電線被閃電擊壞后，圣地亞哥電氣公司利用博里戈斯普林斯26兆瓦太陽能微電網(wǎng)為整個社區(qū)的2,800名居民供應(yīng)了電力——避免了一次長達10小時的斷電事故。
奧克拉科克島的電力公司TidelandEMC利用控制熱水裝置和智能恒溫器的方式限制了島上的用電負荷。屋頂太陽能和備用柴油發(fā)電機為地方水處理廠等關(guān)鍵設(shè)施提供動力，而機動式緊急備用發(fā)電機則為該島的配電網(wǎng)提供了動力。
NCEMC高級副總裁LeeRagsédale指出，僅靠太陽能和電池儲能設(shè)施還不能保證持續(xù)的能源供應(yīng)。他認為：“在大型風(fēng)暴來襲時，輸電線路和基礎(chǔ)設(shè)施都可能遭到破壞。如果這類事件發(fā)生，太陽能發(fā)電和電池儲能設(shè)備也只能為部分設(shè)施供電。微電網(wǎng)提供了備用電量與彈性，但它們并不能解決所有問題。它們只是完整解決方案的一部分?！?
可再生能源降低能源使用成本
班德拉州立公園坐落于圣安東尼奧市郊的班德拉市，每年夏天，這里的麥地那河都是游客避暑的熱門選擇。每到7月4日的美國國慶長周末假期，這一地區(qū)都會迎來大批游客。平時，這里供電的變壓器負荷系數(shù)通常維持在70%左右，但在國慶假期期間，該平均負荷系數(shù)會激增一倍，達到140%。BEC公司CEOBillHetherington表示：“在99%的時間里，我們的變壓器都表現(xiàn)完美，但我擔(dān)心這一個周末會燒毀我們的設(shè)備?！?
如果更換更大的變壓器，電力公司需要花費數(shù)十萬美元的成本。Hetherington說：“現(xiàn)實是，更換更大的變壓器意味著我們在為了峰值負荷建設(shè)冗余設(shè)施。也就是說，我們花費的高昂成本僅僅是為了一年中幾個小時的用電負荷?！痹撾娏咀罱K并沒有采取這種解決方案，而是選擇通過購電協(xié)議的形式安裝了一座1.9兆瓦裝機太陽能發(fā)電廠。BEC將其中100千瓦時的太陽能電力出售給了想要支持太陽能發(fā)展，但又無法在自家屋頂安裝太陽能發(fā)電設(shè)備的用戶。
這一系統(tǒng)為電力公司提供了很好的經(jīng)濟回報，因此他們正計劃在項目的下一階段投資儲能系統(tǒng)。
分布式發(fā)電技術(shù)并不僅僅能夠提高電網(wǎng)彈性，降低系統(tǒng)運行成本。班德拉的太陽能系統(tǒng)為當?shù)厣鐓^(qū)創(chuàng)造了就業(yè)，并提高了民眾對可再生能源的認識，許多學(xué)校經(jīng)常組織學(xué)生參觀太陽能發(fā)電廠。在北卡羅來納州，奧克拉科克島的微電網(wǎng)為電力公司提供了現(xiàn)成的實驗室來測試這些新興技術(shù)的互通操作性。
