Transcript 全球智慧電網之技術發展與趨勢探討 - 產業發展研究中心

智慧電網發展趨勢探討
許志義
國立中興大學
資訊管理學系、應用經濟學系教授
產業發展研究中心主任
2011/02/20
目 次
一、前言
二、全球智慧電網之技術發展與趨勢
三、未來智慧電網下的儲能設施發展趨勢
四、智慧電網其他相關產業之發展與探討
(以上海世博解說)
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前言(1/2)
 資通訊科技(ICT)的推陳出新，帶給電業變革及相關產業
發展新的挑戰與機會。
 第一波在1980年代末
– 造成電力部門前所未有的衝擊，誘發英國電力產業之解構，以及
其後全世界的電力市場自由化風潮。
– 原本垂直整合的電力供應鏈藉由資通訊數位科技的應用，被切割
細分化(unbundling)，提供潛在競爭者新的市場與產業發展利基
，並增加電力用戶選擇權。
– 帶動獨立發電業（IPP）、汽電共生、分散式供電系統及供電服
務業之產業發展。
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前言(2/2)
 第二波資通訊科技帶給電力產業的巨大衝擊即21世紀未
來智慧電網的實現。
– 此不僅意謂輸配電網路具有雙向互動與自我療癒的智慧，更意謂
數位匯流（digital convergence）浪潮下所突顯的新世代網路（
Next Generation Network; NGN）Web 2.0概念的落實，亦即每一
個電力消費者都可以是潛在的電力供應者。
– 發電與供電可由各用戶、社區、鄉鎮獨立自給自足，並與中央電
力公司互通有無。
– 帶動再生能源、感知科技、資通訊產業發展，也呼應e-Taiwan、
m-Taiwan、u-Taiwan，到i-Taiwan(智慧台灣)的國家數位化政策。
2009台灣智慧型電網技術論壇研討會
引言人:許志義
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二、全球智慧電網之技術發展與趨勢 (1/16)
 智慧電網:
– 由能源供應網路與通訊網路二大主線所串聯而成的智
慧電網產業，結合資通訊技術、新能源、新材料的科
技發展，初期以智慧電表切入發展先進讀表系統
(AMI)為主。各國的國情民需等背景因素多有差異，
致使各國智慧電網的發展主軸各有不同，發展目標則
涵蓋了輸配電網的效率改善、分散式能源的供應導入
，以及發展家戶能源應用服務等。
 未來電網結構將從傳統採用集中式的發電系統，轉為分
散式的多能源供電方式，以兼納新能源與再生能源導入
電網供應，同時改善電網的運作效率，並增進能源管理
的彈性。
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(2/16)
 智慧電網系統架構圖
Source：PG&E；拓墣產業研究所整理，2010/03
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(3/16)
 傳統電網與智慧電網之比較
傳統電網
智慧電網
單向通訊
雙向通訊
不提供即時回饋
廣設監視系統及感測器
封閉/專有
開放/標準化
人工抄表
取代人工抄表、自我監控/修復
集中發電
集中式及分散式發電
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(4/16)
 智慧電網之架構圖
Source：NIST，2010/03
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(5/16)
 智慧電網之系統細項
Source：Austin Energy；拓墣產業研究所整理
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(6/16)
 各國智慧電網發展主軸各有不同
– 美國初期以輸配電區塊發展為主
• 為改善發電能源在輸配電段的耗損與提高運作效率
，2004～2008年期間，美國各電力公司每年度總投
資約290億美元於輸配電線路建設與設備汰換。美
國歐巴馬政府則於2008年通過110億美元的智慧電
網預算計畫，至2009年底已提撥63億美元推動智慧
電表建置與智慧電網相關技術研發，以導入先進讀
表系統善化供電效率與營運績效為先。
• 就電力產業面的投入來看，電網建設的投資重點仍
集中於汰換輸電網的老舊電纜，改以新興科技材料
來減少電力散失，以及投資AMI階段所需的配電自
動化系統。
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(7/16)
– 歐盟偏重分散式能源供應發展
• 歐盟對環保議題維持高度重視，歐洲各國政府均傾向鼓勵提
高再生能源的使用，計畫以分散式能源供應的電網架構，發
展再生能源與傳統電網並聯使用。
• 歐盟提出超級智慧電網(SSG)的發展計畫，以「Super Grid」
實現能源遠程運輸，進而達成能源產地分散的目標；另以「
Smart Grid」系統，滿足分散式發電需要更精準而即時性的
系統運轉管理功能，以維護電網穩定及避免線路過載問題。
• 歐盟各國政府除了在歐洲境內推動SSG計畫，完成Super
Grid的置換之外，現階段最大的能源投資計畫則是歐洲12家
企業共同支持的Desertec計畫，預定投資4,000億歐元在北非
撒哈拉沙漠建設上百座的太陽能發電設備，達成自境外引入
電力供應歐洲使用的電網投資計畫。
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(8/16)
– 日本著重蓄電池、微電網及HEMS研究
• 日本基於島國的地理環境背景與電力系統設備屬新的
狀況下，智慧電網發展偏重於儲能系統(Energy
Storage)、微電網的技術領域，以及延伸智慧電網至
家戶環境內的能源管理應用，其應用系統以家庭能源
管理系統(HEMS)開發為主。
• 透過蓄電池的設施研發，解決再生能源間斷性
(Intermittency)的供電問題，同時能夠支持尖離峰供電
的負載調節，提高整體電網的供電可靠度。而微電網
技術在NEDO的推動之下，已在日本的愛知、青森、
京都與仙台四處實行微電網示範計畫，集結分散在區
域內的各類再生能源，提供電能、熱能與冷能等能源
供應服務給區域用戶使用。
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(9/16)
– 中國以統一堅強智能電網為目標
• 中國於2009年宣布大型的電網投資計畫，提出「統一堅
強智能電網」(Unified Strong Smart Grid)的發展計畫。
• 預定在2020年前投入逾4兆元人民幣的資金，發展「統
一堅強智能電網」 。
– 第一階段在2010年投資5,500億元人民幣於智慧電網的試點計畫
，完成部份都市的智慧電表置換與發展通訊網路系統；
– 第二階段為2011～2015年，預計投資2兆元人民幣於特高壓電
網建置與城鄉配電系統建設；
– 第三階段為2016～2020年，將投資1.7兆元人民幣，完成統一堅
強智能電網的全面覆蓋。
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(10/16)
– AMI Road Map in Taiwan
第一階段
(技術測式)
年度
98
99
戶數
50
300~500
工作 通訊技
項目 術測式
1.訂定功
能標準
2.規劃測
試平台
第二階段
(前期佈建)
100
101
10,000
第三階段
(基本佈建)
102
103
第四階段
(擴大佈建)
104
10,00,000
1.電表功能測試
2.公告功能標準
3.建置測試平台
4.研訂新費率
5.建置MDMS
6.技術驗證
1.電表佈建
2.適用新費率
3.研擬負載管理及需量反
應機制
4.效益評估
執行 能源局(主辦)
單位 台電公司(協辦)
台電公司(主辦)
能源局(協辦)
台電公司
經費
能源局: 1.18億元
台電公司: 317.5億元(600萬戶預估費用)
Source：台灣電力公司
105~
50,000,000
1.加速配電
自動化系統
建置
2.適用負載
管理及需量
反應機制
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(11/16)
 全球智慧電表發展政策
國家/區域
美國
歐盟
主要政策內容
能源部2009年投資40億美元發展智慧電網：
1.
智慧電網投資補助計畫(33.75億美元)：普及智慧電網技術每件
補助50-2000萬美元、普及輸電系統監測裝置每件補助10-500萬美元、
電力業者投資智慧電網技術，提供最高50％的相對補助金。
2.
智慧電網測試計畫(6.15億美元)：智慧電網地區測試、實用規
模的能源儲存測試、輸電系統監測測試等。
－能源部提供1億美元推動智慧電網人力訓練計畫：3500－4000萬美
元用於開發訓練計畫、策略和課程，並提供公用事業、高等院校，
職業學校和勞動組織等參與申請；6000－6500萬美元用於電力公司
新員工和人力的再培訓計畫，協助電力設備製造商深入理解及運用
智慧電網技術。
推動「歐洲科技平台（ETP）計畫」，制訂2020年以後發展與推廣
智慧電網的願景，以及2020年智慧電表占80％之目標。
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(12/16)
國家/區域 主要政策內容
日本經濟產業省2009年開始推動三項智慧電網相關計畫：
1.
離島智慧電網計畫（4,500萬歐元）：在沖繩偏遠離島推動示範計畫，
並評估在更大範圍導入再生能源的結果，同時測試電池容量。
日本
2.
智慧收費計畫（2,000萬歐元）：在停車場和加油站配置電動車輛充電
容量，並建立配備IT的收費系統，以滿足用戶需求。
3.
智慧住宅計畫（600萬歐元）：連接太陽電池、燃料電池、智慧型家
電和家用伺服器，實現先進的能源需求管理。
制訂至2030年智慧電網長程計畫：「國家智慧電網路線圖」，預計至2030年
為止，政府與民間將投資27兆韓圜，進行技術開發支援，並建設2萬7000座
電動汽車充電站。
韓國
－投入370億韓圜支持SK電信、LG電子、現代重工和韓國電力公司籌組的智
慧電網測試聯盟，預計自2010年開始在濟州島進行測試，包括：針對電動汽
車電力和通信的「智慧交通」系統、整合太陽能和風能發電的「智慧再生能
源」，公用事業和需求者的雙向互動，以提升能源效率。
2009年11月正式將「智慧能源網」納入「十二五」計畫；並積極制訂智慧電
中國大陸 網發展規劃綱要、關鍵技術研究框架，以及智慧電網的技術標準；國家電網
公司將在3－5年內投入600億元人民幣建設智慧電網。
Source：行政院經建會網站
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(13/16)
 智慧電網技術標準之發展
– 在NIST(National Institute of Standards and
Technology)發布標準規範書之後，美國能源部
要求美國智慧電網的相關設備及系統裝置，均
必須符合NIST所公佈的標準規格。
– 參與標準規範書議定過程的組織與廠商，包含
IEC、IEEE、ANSI等國際標準組織與Intel、
IBM、Siemens、GE、Google、ZigBee
Alliance等國際業者與產業聯盟。
– 對其他各國的資通訊與電氣產業發展之影響亦
深，因此可預期NIST的標準規範，亦將牽動
各國智慧電網的技術與標準發展。
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(14/16)
 智慧電網技術標準發展
– 由於智慧電網為一跨產業與跨領域的龐大架構
，通訊網路技術將隨不同領域的技術範疇，以
及能源供應網路的設計需要，須整合應用不同
的通訊網路技術，包含電力線通訊(PLC)、乙
太網路、光纖等有線通訊技術，以及ZigBee、
Wi-Fi、RF等無線通訊技術，還有2G、3G甚至
是4G的行動通訊網路技術。
– 不同的通訊網路技術之間的整合雖是一個問題
，但最關鍵的技術標準則是電源供應網路與通
訊網路並聯之網路標準規範。
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(15/16)
 智慧電網技術標準發展
– IEEE於2009年3月正式成立P2030工作小組，
專責制定智慧電網的網路相關協定與技術標準
。從NIST於2010年1月發布的標準規範書觀察
，NIST亦多採用IEEE的技術規範為準。不論
全球各國是否以美國為智慧電網發展之領頭羊
，但IEEE之智慧電網技術標準發展，勢必引
起各界關注。
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全球智慧電網之技術發展與趨勢探討(16/16)
 智慧電網技術標準發展- NIST採納IEEE之智慧電網技術規範內容
Source：NIST；拓墣產業研究所整理
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三、未來智慧電網下的儲能設施(1/13)
 儲能設施是智慧電網的重要組成
Source：PG&E，2011/01
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未來智慧電網中的儲能設施(2/13)
 儲能並不是一個新的概念，應用已有上百年歷史
，在1970年代的石油危機，更促使發達國家積極
開展再生能源與儲能技術的相關研究，其中美國
能源部主導的Energy Storage Systems(ESS)專案已
進展數十年；日本更是將蓄能技術作為日本智慧
電網規劃的重要一環，在新型電池及材料方面技
術領先。
 目前真正能夠低成本、大規模儲存電力的商用化
技術依然有限，全球累計儲能設備裝機約125GW
，這其中98.3%為抽水蓄能，剩餘1.7%的比例，
約2.1GW為其他新型的儲能技術。
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未來智慧電網中的儲能設施(3/13)
 2010年全球儲能系統累積安裝容量
註：熱儲能僅包括用於冷卻的案例。
Source：拓墣產業研究所
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未來智慧電網中的儲能設施(4/13)
 中國儲能應用
– 中國的智慧電網由國家電網主導，儲能的應用
仍以抽水蓄能為主。光伏廠商也開始關注儲能
領域相關技術的研發。光伏製造型廠商在產業
逐漸陷入競爭僵局之前，早日布局智慧電網相
關技術，從提供單一產品轉為提供更全面的解
決方案，不失為一種新的戰略。
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未來智慧電網中的儲能設施(5/13)
 各類儲能技術相關廠商列舉
Source：拓墣產業研究所
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未來智慧電網中的儲能設施(6/13)
 電池性能的高低及商業前景，也需要從多
個參數角度進行考量，例如抽水蓄能、壓
縮空氣蓄能，雖然儲能成本較低，但無法
做出秒級回應，且對地理條件要求苛刻；
較為成熟的鉛酸電池雖然購置成本較低，
但由於低壽命導致其運營產生的電力成本
很高，並沒有明顯的競爭優勢；鈉硫電池
雖然各項參數初衷，但對工作環境溫度有
著苛刻的要求；液流電池能力密度偏低；
鋰電池則存在成本偏高及壽命問題。
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未來智慧電網中的儲能設施(7/13)
 儲能技術參數橫向對比－能量密度
Source：拓墣產業研究所整理
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未來智慧電網中的儲能設施(8/13)
 儲能技術參數橫向對比－投資成本與運營成本
Source：拓墣產業研究所整理
28
未來智慧電網中的儲能設施(9/13)
 儲能技術參數橫向對比－循環壽命與轉換效率
Source：
拓墣產業研究所整理
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未來智慧電網中的儲能設施(10/13)
 各類儲能基礎細分市場
Source：
拓墣產業研究所整理
未來智慧電網中的儲能設施(11/13)
 各類儲能基礎細分市場
– 電力品質:維護對電力的暫態波動(數秒～數分
鐘)做出數秒內的快速回應，起到暫態穩定與
頻率調節的作用，要求儲能設備的額定功率下
的放電時間在數十分鐘以內，且迴圈次數或壽
命高，主要技術有飛輪、超級電容、超導磁蓄
能等。
– 電網支援:主要指對電網提供電力的應急儲備
及負載跟蹤，要求儲能設備的短時回應能力(
數秒～數分鐘)，額定功率下的放電時間能夠
達到1小時，如各類電化學儲能技術。
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未來智慧電網中的儲能設施(12/13)
 各類儲能基礎細分市場
– 分散式蓄能與調峰為局部地區的電網輸配電提
供穩定的支援，對電池容量及回應時間均有一
定要求，如NAS、液流電池等。
– 大規模蓄能調度針對數小時，甚至更長期的可
預測性電網波動提供調節。儲能設備需具備大
規模蓄能容量、數十小時的放電時間，如抽水
儲能、壓縮空氣、熱儲能、氣電煤電輔助等。
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未來智慧電網中的儲能設施(13/13)
 儲能設施現況
– 目前抽水蓄能、壓縮空氣、鈉硫電池、鋰電池
等技術成熟度最高，已經開始用於商業化的電
網儲能運營。
– 液流電池、飛輪儲能、超級電容、鋅空氣電池
等仍處於驗證或示範階段。
– 超導磁、金屬空氣電池等多種儲能技術處在研
發的階段。
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智慧電網相關受益產業(1/8)
 以上海世博為例
 2010年上海世博的智慧電網示範包括9個示
範工程和4個演示工程。
– 示範工程：智慧變電站、配電自動化工程、故
障搶修管理系統、電能質量監測、用電信息採
集系統、儲能系統、新能源接入研究、電動汽
車充放電站和智慧用電樓宇/家居等，包含在
世博園區的智慧電網之內。
– 演示工程：在國家電網館供參觀者參觀瞭解，
包括智慧電網調度技術支持系統展示、智慧輸
電展示、信息平台、可視化展示等。
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智慧電網相關受益產業(2/8)
 以上海世博為例
– 發電方面：
• 對新能源的接入和利用是智慧電網的一大特點。此
次有風能和太陽能供給世博電力，風能是來自上海
東海大橋東側的海上風力發電場，裝機容量104兆
瓦，太陽能則有從上海崇明前衛村引過來的1兆瓦
太陽能電池發電，以及園區內一些場館包括中國館
、主題館、未來館和世博中心等約4.7兆瓦電力，
這些風能和太陽能的發電是分散的，發電功率隨天
氣狀況變化而變化，且有間歇性。
• 智慧電網示範是建立風電場和太陽能發電站的出力
預測系統，實現對部份新能源發電的出力控制，改
善輸出特性，使電網安全穩定運行。
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智慧電網相關受益產業(3/8)
 以上海世博為例
– 用電方面：
• 國家電網館演示了未來的智慧家居。參觀者可在一
個智慧交互屏幕上瞭解並控制家庭用各電器如電視
、冰箱、熱水器、空調等的工作情況，瞭解一段時
期的用電明細，分析各電器的耗能，實現這些功能
需要通過智慧電表、智慧插座、光纖複合電纜等一
些部件。
36
智慧電網相關受益產業(4/8)
 以上海世博為例
– 2010年上海世博園區智慧電網示範佈建圖
Source：拓墣產業研究所整理
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智慧電網相關受益產業(5/8)
 受益產業分析
– 新能源發電
• 風電和光伏發電是重點發展的2個領域
• 新能源市場很大，但這個市場的推動除了依靠智慧
電網的發展和政策的扶持，還有賴於發電成本的降
低。
– 電動汽車
• 電動汽車行業將大大受益於智慧電網的發展。
– 儲能
• 受益於智慧電網發展的儲能產品有2類：
• (1)大容量儲能設備，主要用於對新能源並網的調
節控制；
• (2)動力電池，主要應用於電動汽車。
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智慧電網相關受益產業(6/8)
 受益產業分析
– 智慧設備、儀表
• 用電信息採集的有採集專用晶片、採集終端、主站
系統、智慧電能表等。
• 智慧用電服務的有智慧用電小區、智慧用電樓宇、
大用戶智慧用能服務3部份。智慧用電小區設備包
括智慧家電、智慧插座、居民用電智慧交互終端、
智慧用電小區用電服務系統等；智慧用電樓宇關鍵
設備包括智慧樓宇用電服務系統；智慧大用戶方向
包括大用戶交互終端、大用戶智慧用能服務系統。
此外還有用戶側分布式電源及儲能關鍵設備、電動
汽車充放電關鍵設備、智慧量測關鍵設備等。
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智慧電網相關受益產業(7/8)
 受益產業分析
– 搜索和軟件
• 智慧電網的發展將使更多的用電設備進入網絡，大
量的用電信息將通過網絡互聯，有信息就有搜索和
應用，尤其是當信息大量湧現。搜索和軟件將逐漸
顯示其重要地位，在智慧電網領域得到廣泛應用。
• 除了用戶有瞭解家庭用電的需求，相關企業也希望
能瞭解用戶的用電行為，從而制定策略，於是可能
產生一些電力信息服務公司，通過軟件分析用戶用
電習慣，進行相關業務。
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智慧電網相關受益產業(8/8)
 受益產業分析
– 通信信息
• 通信信息平台是智慧電網的重要支持系統，也是貫
穿智慧電網發電、輸電、變電、配電、用電、調度
六大環節的基礎支持平台，地位至關重要。
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Thank you for your attention
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