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天然氣引擎發電廠

摘要"

近年來全球的再生能源發電裝置容量大幅成長,主要偏重於太陽光電和風電兩類具有間歇性和不穩定特性的再生能源,也對電力系統產生包含輸配電容量,安全,調度及成本等各方面衝擊,如何利用再生能源產生清潔電力減少傳統化石燃料發電並維持系統的穩定,安全和低成本一直是伴隨再生能源電力發展的重大議題,為克服以上難題,電力系統需要提供適當的彈性發電來穩定和平衡再生能源電力。瓦錫蘭公司的天然氣引擎發電機組的靈活特性和高效率,適合提供再生能源高占比電力系統所需要的彈性發電方案。本文除分享天然氣引擎發電廠特性外,也說明以模擬軟體來分析未來台灣電力系統發展情境及彈性發電的助益,並分享國內外實績案例。

關鍵詞:再生能源、太陽光電、風電、彈性發電、內燃引擎發電機組

全球電力能源的發展趨勢

全球再生能源的發展狀況,依據IRENA 國際再生能源機構名為”10年:進展到行動”(10 YEARS: PROGRESS TO ACTIONS)的報告,再生能源在2018年占新增電力裝機容量的62%,已經成為全球新增電力裝置主力,未來10年(2030)再生能源將成為全球電力的主要來源,估計將占全球電力供應的57%,就成本而言,再生能源有望成為最具競爭力的電源,也為了實現應對氣候變遷的目標,再生能源的規模仍需擴大。 
為呼應全球減碳行動,台灣在2015年通過了“溫室氣體減量及管理辦法”明定國家的長期減碳目標,將在2050年的溫室氣體排放量降低為2005年排放量50%以下,同年也提出我國國家自定減碳貢獻(INDC),將在2030年排放量相較2005年減少20%。台灣的二氧化碳排放源主要來自能源部門、工業製程及產品使用部門、農業部門與廢棄物等,能源部門舉凡燃料的使用、能量在生產、運輸、儲存與傳送的過程都會產生二氧化碳氣體。依經濟部能源局2019年8月的報告,能源部門的二氧化碳直接排放佔比達到70.89%,是我國CO2最大直接排放部門,綜觀我國能源結構, 2019年以火力發電的比例就佔了近80%,火力發電有成本優勢,但燃煤發電產生的二氧化碳量也最高,所以我國的能源轉型政策方向,以“展綠,增氣,減煤”的潔淨能源發展為原則,規劃于2025年裝置20 GW太陽光電,6.9 GW風力,水力2.1 GW,部分地熱及生質能等再生能源, 達到30.2GW再生能源裝置總容量,以達到2025年再生能源發電配比提升到20%的能源轉型目標,並開始規劃2026年到2035年,離岸風電10年10GW的區塊開發政策,逐步邁向綠能國家,如圖1。

彈性發電技術支持再生能源的增長
全球在新增再生能源,享受清潔電力的同時,電網也同時面對分散式再生能源對電網穩定性的挑戰。台灣的再生能源主力太陽光電和風力發電都受季節,天候等因素影響,造成發電的間歇性和不穩定性。應因綠電先行極大化使用再生能源的目標,再生能源的併網優先順序高於其他傳統火力發電,系統中的火力發電量需要配合電力系統的凈負載(總負載和再生能源的差額)來調度,當再生能源佔比達到一定數量時,包含大型風力電廠的風力變化,太陽光電造成的鴨子曲線的現象及再生能源預估的誤差等都是電網安全調度運行必須面對的挑戰。以台灣規劃的2025年再生能源裝置容量達到30GW,其中太陽光電20GW和6.9GW風電,在秋冬季節白天時段,再生能源的發電佔比可能超過50%,參考台灣電力公司簡報,預計2025年冬季白天PV的滲透率可能達到40~50%,再加計風電的貢獻,極端的情況下再生能源可能達到50~70%的滲透率,為避免棄風棄光,系統上需要足夠的彈性容量來應對再生能源的滲透率和間歇性,如圖2。
台灣電力系統的彈性可由儲能(如抽蓄機組及電池儲能)、需量反應及傳統火力機組來提供。目前台灣設置2.6GW抽蓄機組主要提供尖載及輔助服務,未來容量擴充性有限,而抽蓄機組運轉若調整為白天時段抽水,其他時段發電的現象,在成本上不具經濟性。電池儲能的價格目前仍高,不適合作為大量能量轉移應用,而且不論抽蓄或電池儲能,都有約20%的效率損失,以目前再生能源的躉售電價並不適合做大範圍的使用,避免加重整體供電成本。各類緊急性需量反應措施、需量競價及輔助服務型需量反應方案等可以在負載端提供系統所需的彈性,但其可提供容量仍有其局限性和成本相對於天然氣引擎發電成本高。火力發電機組將是台灣電力系統吸納再生能源和穩定電力供應所需彈性的主要來源,愈彈性的電力系統和火力發電機組群,有能力應對大量再生能源的間歇性及大幅度的凈負載變化的同時避免棄風棄光發生,且仍舊保持系統的高效率和低成本等重要指標。
台灣目前的火力發電機組主要為燃油機組、燃煤機組及天然氣複循環機組等。燃油機組的主力為協和電廠,預計在2024年全數除役。大型燃煤機組及複循環機組主要做為基載使用,無法快速啟停,因升降載速率及最低負載等限制等,提供系統彈性的能力有限;如果配合大量再生能源的調度而頻繁啟停機、部分負載或循環運行(cycling)或低負載運行等除了無法達到額定的高效率外,燃料成本及污染排放也相對增加,也將造成機組壽命降低與維修成本提高,並增加整體電力系統整的運行費用,將對電價產生壓力。
因應2025年20GW太陽光電和6.9GW風電併網和再生能源提供20%電力的目標,需適當調整台灣火力機組全部以傳統大型發電機為主的規劃,搭配部分高彈性機組來提供系統更多的彈性特性。

現代天然氣引擎發電機組技術介紹

發電機組的彈性特性一般考慮以下參數來綜合評估:
• 啟機時間
• 啟機費用
• 最低負載
• 額定效率及部分負載效率
• 出力爬升速率
• 最小運行時間
• 最小停機時間
國際再生能源機構(International Renewable Energy Agency, IRENA) 的報告”傳統電廠的彈性” (Flexibility in Conventional Power Plants)比較了硬煤發電廠,褐煤發電廠,複循環渦輪機,單循環渦輪機和內燃引擎發電機(Internal Combustion Engine, ICE)的各項彈性指標並羅列如表1,內燃引擎發電機組在啟機時間,啟機費用,最低負載,部分負載效率,出力爬升速率,最小運行時間和最小停機時間等彈性指標參數都最為優異。
IRENA的報告中也說明,天然氣內燃引擎發電機組典型的被使用在需要高度操作彈性的電力系統。
瓦錫蘭公司成立于1834年,集團總部現設立于芬蘭赫爾辛基。瓦錫蘭能源事業致力於引領朝向100%再生能源未來的能源轉型,提供彈性引擎發電廠,儲能及天然氣系統等,協助電力系統朝向100%再生能源邁進。

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