發展可再生能源 ─ 智能電網網絡

來源:Pixabay

Dr Lou Sai LEONG
Expert nuclear engineering analyst

承接上一篇文章《能源背後的根本問題》(於2017年4月號刊登),能源儲存對發展可再生能源至關重要。若果沒有儲存大量能量的方法,只能依照電力需求或使用其他資源來發電。到目前為止,國家並不會依靠單一種能源,如可再生能源發電,反而會選用多種能源作為國家能源的發展策略。

智能電網生產網絡則是管理這些能源生產的最有效方法。

現況

這種方法於數十年前開始被應用,技術隨時間越趨成熟。智能電網的目的是利用超高壓傳輸電流將大面積地區的能源生產連成網絡。該網絡能夠將能源從發電廠重新分配至能源需求較高的地區。

看起來,從外地購入電力變得可行,故此,不少專家甚至提出使用可再生能源作為智能電網的主要來源。

例如,若在電力需求高峰期內因陰天和沒有風而未能生產電力,可以利用網絡從其他依賴太陽能、水力,甚或其他多風地區入口電能,譬如由中國西部傳輸電能至東岸及由北俄羅斯至南印度。

從技術層面上,此說是否可行?為此,我們來介紹一下電力傳輸性能。

原理

電力傳輸是一種利用互連線路將電力從發電站送到另一變電站的大型傳輸。電力傳輸一般有兩種方法:高壓交流電流 (HVAC) 和高壓直流電流 (HVDC)。高壓交流電流 (HVAC)較常用於工業,而高壓直流電流 (HVDC)則較適合用於長距離輸電。

圖一:交流電和直流電的成本及傳輸距離關係

圖一展示了兩種電流的建築成本與電力傳輸距離的關係。在達到800公里的成本距離平衡點前,發展交流電流較為適合,因其成本較低。超出這距離的話,直流電流則更具優勢。因此,在長距離輸電的情況下,直流電流比起交流電流更具成本效益。

限制

然而,由於建造成本和能源損失,電纜的建造長度有所限制。如圖一所示,建設電纜的成本呈線性增長。而能源的損耗則是由電力傳輸中的阻力所造成。為了降低能源損耗,我們需要減少電纜的厚度 (同時亦會降低功率) 或增加高電壓。現時,高電壓受制於技術和地質環境。中國最近修建了世界上最高電壓的電力傳輸電纜,交流電流和直流電流的電壓均能夠上升至1000 kV。在此之前,最高輸電電壓是美國所建造的電纜,能將超高壓直流電流提升至800 kV。

在上述難題、限制和成本下,在2000公里的距離內,運用直流線將電力從發電廠傳輸到變電站仍然是最具經濟成本效益的方法 (以中國現時的開發技術來計算)。

考慮

回到先前提出的問題,透過智能電網和傳輸線路,將可再生能源完全替代電力生產,到底是否足以應付我們的電力所需呢?

圖二: 中國和歐洲傳輸電纜網絡的概念圖

圖二是將單一或多個國家的可再生能源發電廠組成高電壓智能電網網絡的概念圖。這個大規模能源網的概念極具挑戰性,我們需要克服以下兩項主要問題:

A) 第一項是建設成本的問題。正如我們所提到,超長距離電纜的建造成本十分高昂,加上保養費用的話,民眾可能需要付出比現在更昂貴的電費費用。在操作層面上,每個國家(各省)在落實跨國合作計劃前,都需要考慮到各國自身的技術能力和地緣政治。

B) 另一個問題是網絡的覆蓋範圍。在一些如中國般面積較大的國家,2000公里的區域電網並不足以應對氣候的變異系數(correlation of variation),相近的天氣能影響很大範圍的地區。例如,若一個地區受到颱風吹襲,風暴的覆蓋範圍達數百甚至超過一千公里。由於風力太強而不能使用風力發電站,同時亦沒有太陽能發電,為了能快速生產電力,只能無可避免地使用化石燃料發電。此外,大部份可再生能源站都遠離城市,特別像中國這些具特殊地緣政治的國家。可再生能源的電站適合於西部的鮮少人地帶建造,而中國大部份主要城市都位於東岸,這亦增加了傳輸電力的難度。

結論

在短期以至中期內,仍然難以利用可再生能源作為主要能源。但運用建基於幾種能源來源的智能電網來確保能源需求仍是良好的趨勢。

我個人認為,現時應對氣候變化最迫切的任務是減低二氧化碳排放。為達成目標,我們必須減少化石能源和增加無二氧化碳排放能源。我們應從發展幾種能源 (核能、再生能源、生物質能及地熱能等等)開始,將智能電網和合適的電力傳輸網絡結合,更有效地管理能源生產。當提高高壓發電的技術,降低輸電線路建設成本和智能電網系統更加成熟(每個電力生產源的效率、國家安全的保障、企業之間對交流電或直流電的規管、氣候變化等)時,再生能源替代非可再生能源發電將變得可行。


作耆簡介

Dr Lou Sai Leong 專門為退役核設施及核廢料提供核測量服務。她曾管理及執行數個相關項目,並在日本推動核測量服務。

Dr Leong 於2008年在Université de Paris-Sud取得基礎物理學學士學位並於2010年在 Université de Pierre et Marie Curie取得核子工程學碩士。她其後專注於核子物理學和核數據測量,並於2013年在Université de Paris-Sud獲得博士學位。