2021.10.06 - 最新消息

【讀者投書】英國輸電網系統變電站火災,將使得歐洲能源危機加劇? By WindTAIWAN

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※照片資料由投書讀者提供

 

  2021/9/15英國國家電網公司(National Grid)宣布,其位於英格蘭肯特郡塞林治(Sellindge)變電站的跨國電網連接設備發生大火事故(下圖右為火災情形; 下圖左為火災後該連接站的空照圖),據當地Kent Fire and Rescue表示,火災在該日午夜過後不久就開始了,12輛消防車和其他專業車輛在事故最嚴重的時候使用壓縮空氣泡沫滅火。該設備是法國與英國間IFA1輸電網系統的一環,供應英國的用電需求(裝置容量達2 GW)。受到火災後需進行相關設備修復的影響,目前負責該電網的運營公司預估迄明年327日止,該電網裝置容量僅有1GW能供進口電力使用。目前現值歐洲能源需求緊張、當地發電用的天然氣和煤炭價格頻創新高之際,此連接法國與英國的HVDC (高壓直流系統)海纜輸電系統又發生火災,英國進口電力要到明年3月底才會恢復正常。高盛已警告今年冬天歐洲工業有斷電風險,而且如果冬季異常寒冷,天然氣價格將飆至前所未見的驚人高點。

 

     

 

  IFA 1的電網設備自1986年開始啟用運營,其採用HVDC海纜輸電技術以進行英國和法國之間的海底電纜輸電與電網連接(該電網的Hypersim Model如下圖)

  事實上這電網於全世界的電網建設中屬於一個標誌性工程,在2017年建成的巴西Xingu-Estreito線路(800 kV4 GW2076 km線路)、及中國大陸普遍開始特高壓直流電網大規模建設之前,這個電網曾經是全世界最大的高壓直流系統。2018年投運並採ABB系統的新疆准東至安徽皖南的特高壓直流(UHVDC)工程合約,路線超過3000公里的±1100kV高壓直流系統,輸電量達12GW,是目前世界上電壓最高、距離最長及輸電量最大的高壓直流系統。目前隨者海上風場開發規模的擴大,歐洲很多的風場也已逐步採用大型HVDC系統的輸出海纜電網設計,可惜的是目前台灣尚未得見此種設計。沃旭的2022年海上風場仍採HVAC系統的海上變電站設計(2600 MV HVAC等級海上變電站)

 

  與傳統交流輸電相比高壓直流輸電投資較少,電能損耗較低,因此在長距離的電能輸送方面更有優勢,電源點與負荷中心電輸送效率更高。與交流輸電相比,輸出同樣的功率,陸上直流架空線路可節省約三分之一的鋼芯鋁線,三分之一的鋼材,三分之一的線路造價,線路損耗。直流輸電的電能損耗一般為每1000公里為3%,隨著電壓等級和結構的不同而有所差異。

 

  以維基百科所列高壓直流輸電(HVDC)優點主要有:

 

  1. 於水下長距離輸電,不會有電容導致升壓的問題。把兩條電線放在一起,便是電容。長度愈長,電容愈大。電容會令交流電壓上升,最後使絕緣層無法承受而導致短路。
  2. 長距離、大容量、點對點輸電。
  3. 不同頻率的交流電系統互聯,例如日本
  4. 非同步互聯,例如美國和印度國內電網是同一頻率,但並非同步
  5. 三相交流電需要三根互相絕緣的導線傳輸,各導線對地絕緣要按照其交流電峰值設計。直流電僅需兩根導線,且其絕緣僅須按照其有效值設計(直流電峰值等於有效值),且無集膚效應,導線體積、重量和安全距離均比同容量的交流輸電線為低,減少線路占地與投資。
  6. 實現新能源發電點與交流系統的連接。
  7. 無功角穩定問題,不需要線路補償(功率因數1)

 

  但起初選用HVDC系統的理由並非完全如上述,主要是因為英法兩國的電網頻率沒有相同的調整範圍: 法國為49.95 50.05 Hz,英國為 49.8 50.2 Hz。而當時的功率轉換系統不若今日的成熟

 

  該輸電網在法國的Peuplingues與英國的Folkestone兩地各設有一座HVDC的變流站(Converter Station),兩國之間的高壓直流電纜線路長度約為73公里,海底部分長46公里(海纜為銅導體, 截面為 900 mm2 + 陸纜為銅導體, 截面為: 英國800 mm2/法國900 mm2),包括四對 ± 270 kV電纜。此次發生火災的Sellindge變電站(National Grid Electricity Transmission plc (NGET))係以400 kVAC地下陸纜連接至FolkestoneHVDC的變流站(長度約為14.5公里),如下左圖。Sellindge升壓站損壞的設備應僅限於一迴路(1 GW)的裝置容量,發生事故時雖連接站所有的電力傳輸容量降至0 GW,但運營商已公佈9/25 21:59以後可恢復1 GW的輸電設備容量供輸入電力使用。除IFA (1)電網外,英法之間目前還有一條剛啟用的IFA 2連接電網(參考下圖右)

 

    

 

  不管如何,本次事故無疑是對能源價格及供應結構的巨大衝擊,英國天然氣價格已在幾週前改寫空前高,該系統的火災事故再拉高未來數週、甚至數月的天然氣發電需求,當日天然氣價格聞訊狂噴18%,衝上每撒姆(therm (EC), 相當於十萬英國熱量單位BTU)單位價格達1.89英鎊。此一價位是兩個月前的2倍,更是去年9月的5倍以上。S&P Global Platts Analytics歐洲電力分析主管Glenn Rickson說,火災發生的時間點,對英國來說壞到不能再壞。

 

  冬季供暖旺季還沒到來,歐洲能源價格已經每天刷新歷史紀錄。當地天然氣庫存比平均值低了24%,為歷史同期新低。市場憂慮供給短缺,過去一個月來,天然氣價格爆衝40%,光是本週就大漲14%至每百萬BTU 22美元,為從未出現過的破天荒價格。主要原因是俄羅斯減少天然氣供給、北海產出降低、南美洲需求提高等。高盛估計,未來天然氣價格升至32美元的機率達21%。高盛表示,如果今年冬季比往常更冷,歐洲會需要和亞洲爭搶天然氣供給,這會進一步推升天然氣價格。不僅如此,就算搶到天然氣,仍可能無法避免天然氣庫存在冬季結束前見底,這是不可忽視的風險。若是如此,唯一的平衡機制是歐洲天然氣價格和電價繼續狂飆,藉此摧毀需求,並透過斷電降低工業的用電需求。目前較好的消息是俄羅斯到德國的北溪2(NORD Stream 2)天然氣管線已於9/10完工,但今年底前可以投入輸氣使用似乎是相當困難,該管線設計的一年輸氣量達5.5億立方米,但可以確認的是這對已脫歐的英國沒有直接俾利

 

  另由於歐洲今年的能源價格的上揚及風況不佳等因素影響EnAppSys 的數據顯示,今年迄九月中為止,英國整體平均電價是 2019-2020 年平均電價的兩倍多,九月中的過去兩週日均電價是 2019 年平均電價的八倍。這種情況意味著英國電網運營商國家電網需要將備用發電源(如高污染燃煤電廠)投入使用,而且往往要付出高昂的代價(如碳稅等)因此,對於英國和歐洲其他地方的消費者來說,能源價格可能會進一步上漲,這些地區正在感受到高天然氣價格的影響。英國能源監管機構 Ofgem 已經通知消費者,一些標準能源費率的上限將提高 12%。工業也受到擠壓。9/15英國鋼鐵公司主管加雷斯·斯塔斯 (Gareth Stace)在一份聲明中表示,在價格飆升期間,「過高的能源價格迫使一些英國鋼鐵製造商暫停運營」。他說,高電價是能源市場「不健康」的跡象。歐洲各地的消費者都受到高能源價格的擠壓。9/14西班牙政府面臨政治壓力,宣布了保護憤怒消費者的措施

 

  大量再生能源併網的衝擊與電力調度因應策略已經是歐洲各國的一個課題,其他問題則是低碳技術所提高的電力成本與電力結構因再生能源看天吃飯的特性所造成電價變動劇烈等。鑒於這將影響工業競爭力與家戶生活品質,儘管現行歐洲法律承諾減少溫室氣體排放,但歐洲政府希望降低能源成本並進行審查如何有效的減少家戶與企業的長期能源費用,此審查工作是歐洲工業改革的一部分,包括消除對於能源成本、安全性與可靠性等擔憂,以確保歐洲經濟的發展。

 

  另藉由此次電力事故,可以得見歐洲各國之間的電網互相支援之依存性越來越重要,並嚴重制約各國的電價成本。而英國為歐洲各國中於跨國電網連結之度電購買成本最高者,英國相當仰賴法國及比利時的核電支援,在開放的電力市場其這部分的購電成本遠高於英國以過剩電力賣給歐陸各國的成本(過剩的再生能源為主),次必須付出昂貴跨國購電成本者為義大利。可參考下圖EnAppSys於今年六月所發表的統計。

 

 

 

  英國面對天然氣能源價格的飆漲與能源結構脆弱的悲劇式的情境與經驗或可為借鑑,台灣政府與產業在因應政策減碳與再生能源設置的發展,更深的挖掘背後的風險與採取對策將極為重要。以台灣的電力系統是以獨立系統的模式來進行操作與發展,並不具歐洲跨國間的能源互補及支援架構,可能須面對更大的挑戰。特別是台灣的電力結構逐漸依賴無法穩定供應的能源來源,例如風力和太陽能,另一方面對除天然氣以外的化石燃料的投資卻也不斷減少;環境政策已讓國家關閉部分燃煤與核能發電廠,無形中也斷絕了後備電力來源,未來天然氣燃氣機組將為台灣能源結構最重要的一環的價格。故天然氣取得與價格及再生能源的穩定供應攸關電力穩定及價格甚巨,而政府將轉嫁此部分的責任給自由電力交易市場,企業必須有戰略性的眼光及規劃來因應。

 

  另電力分配結構中若要維持電力供需平衡,必需以燃氣機組根據電力調度要求進行輸出調整(動態適配運轉)。這是以大量再生能源導入後,再生能源電力優先調度情境下,將導致傳統機組因此解聯或降載,造成機組的容量因素降低的可能性增加。而國家電網因應再生能源鴨子曲線(Duck curve)的供應特點及需提供系統足夠的轉動慣量與輔助服務,許多機組在風光等再生能源發電量大時仍不可完全解聯,須以最低載發電而降低效率。燃氣機組雖然啟動與升載快速,但從最低轉速升到最高最快也仍要數分鐘的時間。

 

  故判斷輔助動態運轉應用以儲能系統與機組共同按照電力調度要求調整電力輸出。藉由響應速度快的儲能系統進行輔助動態運轉可減小機組的輸出波動範圍以提升機組效率之外,可避免動態運轉對機組壽命的影響,減少設備維修與更換費用將為手段。台灣在發展再生能源並逐步依賴再生能源的過程中,預料儲能系統的發展也將是不可或缺的要角之一,未來或可能於再生能源申請設置需要強制比例配搭,即若要將再生能源併入電網時,需要整合儲能系統來克服再生能源的發電特性問題,以平滑化再生能源的間歇性變動並且儲存剩餘電力,促進再生能源的利用。

 

  綜上,隨著能源稅、再生能源憑證(輔助再生能源配比制度)及碳權/碳稅等制度的實施,可推斷台灣電價會與國際水準一樣而大幅提升,特別是在未來數年台灣電業自由化與電力交易市場的實施後。可預見的未來,企業必須嚴肅思考電力取得資源及其成本,大型電力用戶可能要增加新的部門以面對電力交易市場,負責策略制定與交易操作。但不見然對用電大戶是悲觀的,大戶通常有汽電共生設備(已陸續開始由燃煤改為天然氣)及一定規模再生能源的建置並搭配大型儲能設備之投資,面對電力交易市場的購電調度或異時電力差價的期權操作可創造優勢。

 

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