原文標題：應對電力系統(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/中國能源網
文章推薦：Xuan Zhang博士
哈佛大學博士后、牛津大學博士，擁有豐富智能電網系統(tǒng)設計經驗
電力系統(tǒng)的彈性指的是其在故障、自然災害、人為破壞（如網絡攻擊）等情況下的快速應對能力及恢復能力。隨著電力系統(tǒng)結構的大規(guī)模化、復雜化及系統(tǒng)內不確定因素的增加，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)投資領域關注的焦點之一。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；微電網結構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項目團隊將構建創(chuàng)新技術，以實現電網的長時間儲能，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中扮演越來越重要的角色。儲能系統(tǒng)提供重要的服務，其中包括提高電網穩(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用，特別是其高昂的成本。
美國能源部長Rick Perry說，“構建未來的電網需要新的工具和技術來確保人們獲得可負擔得起的安全能源。美國能源部正在關注能源領域，并確定我們需要支持未來電力系統(tǒng)的關鍵技術。這些新的儲能選項將為我們提供機會，使電網更具彈性，同時實現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進行開放性的選擇，其中包括熱學、機械、電化學、化學等，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。
每當天災過后，能源安全的議題就會再度受到重視，2012 年時珊迪颶風侵襲美東，造成紐約等地大斷電，當時分布式能源的各種技術還在實驗階段，成本較高，本來不受重視，只在學校進行小型學術性試驗，但當珊迪來襲，紐約一片黑暗，紐約大學校區(qū)因設置熱電共生分布式能源系統(tǒng)，有電、有燈光、有暖氣、有熱水，成為災區(qū)中的救難綠洲，其他如紐澤西州普林斯頓大學校區(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，相關技術成本已大為下降，然而分布式能源發(fā)展仍侷限于特殊應用，如偏遠地區(qū)等尚未能完全普及。哈維颶風侵襲，再度提醒世人集中式電網對應巨災的脆弱性，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，經常誤以為把電網切八段叫分散，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，到最高階的微電網系統(tǒng)，都是分布式能源的一環(huán)。
哈維颶風摧毀了輸配電設施，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，于是大多數沒有備援電力的用戶，就這樣被遺落在黑暗中。德州大多數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，但對大型機構來說，備援電力準備是否充分至關重要。醫(yī)院仰賴備援電力保住病人性命，珊迪颶風時，紐約就發(fā)生醫(yī)院備援柴油發(fā)電機故障，導致病患得在風雨中轉院的慘劇。在德州，此次哈維颶風也讓多家醫(yī)院發(fā)現備援電力失效，導致16 家醫(yī)院關閉、1,000 多名病患得在風雨中轉院。
此外，哈維颶風還吹垮了化學工廠。2004 年由道達爾（Total）重整時獨立而成的阿科瑪（Arkema）化學，其在德州克勞斯貝的化學工廠，受到哈維颶風侵襲，不僅打斷電網供電，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，在哈維颶風巨災中，休士頓的德州醫(yī)學中心（Texas Medical Center ）卻是有備無患。2001 年時，颶風艾利森來襲，造成德州醫(yī)學中心損失20 億美元，在這次慘痛教訓后，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)。當哈維颶風來襲，德州醫(yī)學中心安然繼續(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 連鎖超市與微電網服務商迷巖（Enchanted Rock）合作，以每月付固定服務費用的方式，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ERCOT，這套系統(tǒng)也設計了“孤島模式”，也就是當德州電網斷電時，可以做為獨立的微電網運作。當哈維颶風侵襲導致大斷電時，18 家H-E-B 連鎖超市進入孤島模式后，可從不受狂風與水災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)電微電網系統(tǒng)目前總安裝容量已經達130 百萬瓦（megawatt），并且無需補貼就有市場經濟效益。
德州也有結合太陽能、能源儲存、建筑能源管控系統(tǒng)的較復雜微電網。達拉斯電力公司安可（Oncor）就建立了一個示范微電網，此外，美國能源部也出資，挹注德州理工大學成立的可再生能源產學平臺奈爾集團（Group NIRE），建立物聯網能源管控系統(tǒng)，控制電池、電動車、空調設備、電熱水器、LED 照明等100 項設備，以達成穩(wěn)定管理微電網的目標，不過這兩個計劃都未受哈維颶風侵襲的考驗。
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，提高對天災的防備能力，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，以便一旦電力網絡受損時能立即察覺并嘗試繞過受損地區(qū)。
但是哈維颶風之后，緊接著艾瑪颶風來襲，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。在艾瑪颶風的強風侵襲下，連混凝土電線桿也應聲折斷，地下設施在颶風帶來暴潮下淹沒，大量設施損毀無法修復，必須重建，導致需要數周時間才能復電。
佛羅里達電力照明公司認為已經打造全美最強化、最智慧的電網，但仍然無法抵抗艾瑪颶風，這再度提醒世人集中式電網面對天災的脆弱性。當前的集中式電網，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，想要靠電網能全面升級加強至“金剛不壞”來彌補，由佛州經驗可知，既曠日廢時、效果不彰，經濟上也不切實際。
分布式能源發(fā)展的第一步，并非立即取代現有的集中式電網，而是補其不足，既然無法把集中式大電網所有環(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，以因應一旦天災人禍，不會因為缺電而釀成更大災害。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，就能安然度過災情。
繼珊迪臺風之后，此次哈維、艾瑪颶風連續(xù)來襲，引起美國又一波分布式能源思考，紐澤西州公共事務委員會（New Jersey Board of Public Utilities）近來批準城中市區(qū)對微電網應用的研究，就表示珊迪颶風、哈維颶風的災情，提醒人們需要更多準備，需要打造先進微電網以因應下次災情。隨著極端氣候現象越來越顯著，分布式能源的概念，可望先從防災的能源安全角度出發(fā)，打下第一個利基市場。
當颶風哈維和伊瑪席卷美國南部時，造成的斷電事故影響了數百萬人。在這類自然災害發(fā)生時，保持供電將比平時更加關鍵。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更具彈性，如使用分布式能源，尤其是通過在配電網配置太陽能發(fā)電和電池儲能設施等方法。
事實上，越來越多的證據表明，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服務帶來更高的可靠性與彈性。
通過分布式能源資源提高電網彈性
全美各地的許多城市和大學都認識到了這一點。馬薩諸塞州斯特林鎮(zhèn)的斯特林政務照明部門在該鎮(zhèn)修建了一套太陽能發(fā)電加儲能設施的微電網。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為整個社區(qū)的2,800名居民供應了電力——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鍵設施提供動力，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施還不能保證持續(xù)的能源供應。他認為：“在大型風暴來襲時，輸電線路和基礎設施都可能遭到破壞。如果這類事件發(fā)生，太陽能發(fā)電和電池儲能設備也只能為部分設施供電。微電網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通常維持在70%左右，但在國慶假期期間，該平均負荷系數會激增一倍，達到140%。BEC公司CEOBillHetherington表示：“在99%的時間里，我們的變壓器都表現完美，但我擔心這一個周末會燒毀我們的設備?！?
如果更換更大的變壓器，電力公司需要花費數十萬美元的成本。Hetherington說：“現實是，更換更大的變壓器意味著我們在為了峰值負荷建設冗余設施。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)電設備的用戶。
這一系統(tǒng)為電力公司提供了很好的經濟回報，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)電技術并不僅僅能夠提高電網彈性，降低系統(tǒng)運行成本。班德拉的太陽能系統(tǒng)為當地社區(qū)創(chuàng)造了就業(yè)，并提高了民眾對可再生能源的認識，許多學校經常組織學生參觀太陽能發(fā)電廠。在北卡羅來納州，奧克拉科克島的微電網為電力公司提供了現成的實驗室來測試這些新興技術的互通操作性。
