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歐盟島嶼型態智慧電網示範成果—智慧島嶼能源系統計畫(The Smart Islands Energy System,SMILE)

重點摘述:

1.      歐盟境內許多國家同時擁有大陸領土和近海島嶼,公民儘管擁有相同國籍,但處於截然不同的生活環境與生活型態,能源的生產和使用方式也是主要差異之一。這些差異使各國政府在推行智慧電網建置時產生諸多不同的挑戰,為了確保更高的效率並符合在地需求,在規劃島嶼能源政策時,必須考慮島嶼的當地特性,「智慧島嶼能源系統計畫(The Smart Islands Energy SystemSMILE)」便是以此為考量產生[1]

2.      SMILE計畫為期4年(2017-2021),該計畫提出了一套適合在地情況的技術和非技術解決方案,開發不同的技術以及跨功能、模組化、自動化的控制結構與系統,並搭配實時數據與模型預測,使高度依賴再生能源和儲能系統電網中的配電更加靈活。

3.      SMILE計畫提出的技術包括新型熱電池、電池儲能系統(BESS)、電力及熱能交換系統、運輸部門(電動車和船舶)電網用戶的智慧系統、能源管理系統、需求側管理(DSM)以及預測模型等。透過測試不同的技術組合減少島嶼對化石燃料的依賴,同時降低能源生產成本。

4.     該計畫選擇歐盟境內的3座島嶼進行示範:葡萄牙的馬德拉(Madeira)、丹麥的薩姆索(Samsø)和英國的奧克尼(Orkney Islands)。雖擁有相似的地形特徵,惟這3座島嶼受到不同的政策、法規和能源市場的約束。奧克尼群島與歐洲大陸有電氣網絡連接,薩姆索亦與歐洲大陸相連結,而馬德拉則是不與歐洲大陸網絡相連而自給自足的島嶼,這些示範點已涵蓋歐盟能源市場的大部分樣態。SMILE希望藉此測試不同的解決方案,確保多元智慧電網系統設計的可複製性。

5.      在奧克尼,規劃將半智慧化電網系統(僅管理發電)轉變為可管理生產和需求的全面性智慧能源管理系統,並推動多樣智慧化設施(家用熱安裝、電動車智慧充電);在薩姆索以Ballen碼頭的BESSDSM系統為主,安裝熱泵提供港務辦公室和太陽能電廠100%的供熱需求,並安裝智慧能源控制系統,因應遊艇和旅遊業的能源需求;在馬德拉則規劃5個不同的示範點。其中2處示範點藉由引入儲能系統及在住宅及商業層面的DSM增加再生能源生產與自用比率,另外2處示範點規劃電動車的智慧化充電,最後1處示範點則試圖解決電壓和頻率控制問題。藉由多樣的系統化設施,SMILE的技術方案在經過實際運行及最終評估後即可作為模組,提供歐盟境內其他地區仿效。

6.      SMILE計畫預期效益:在能源系統中引入RESDES、最佳化能源管理、可擴展和可複製的技術和非技術解決方案、配電網的穩定性和靈活性、減少整個供電系統的環境影響和碳足跡、為新的智慧電網產品和服務創造市場機會,從而刺激產業成長和創造就業機會[2]

 

圖1、SMILE計畫智慧電網系統示意圖

1SMILE計畫智慧電網系統示意圖[3]

 

 


評析:

1.     SMILE計畫初期,除了針對3處示範點進行資源盤點,更針對3處於2030年的能源需求進行短期及中期情境模型評估(以高度再生能源依賴情境為主),以科學依據為基礎,模擬未來電力需求與發電來源,進而提出適宜的智慧電網解決方案[4]

2.     奧克尼群島自1950年代以來持續開發再生能源試驗場,當地約有300多位再生能源相關產業從業人員,同時有12座大型和眾多微型社區的風力發電機[5]。作為1座群島,奧克尼高度依賴渡輪運輸進口燃料用於農業、漁業和陸路運輸。雖然電動車 (EV) 的使用量逐漸增加,並持續開發綠色燃料供應鏈,當地目前尚未建置可與智慧充電和氫能產業結合的網絡系統,致使再生能源發電水平高,但許多家戶仍使用石油或煤炭供暖。此外,綜合氣候、經濟水平與各種社會現象,奧克尼的「能源貧窮」水平是英國有記錄以來最為嚴重的。奧克尼預期透過提供多樣化的支援減少能源貧窮,並增加低碳建築改善島上建物結構。此外,SMILE計畫以建置新的需求側管理系統與現有的智慧電網連結,為住宅、企業和大樓中的電加熱系統以及電動車充電站和氫氣電解器建立智慧化控制與管理[2]

3.     位於葡萄牙的馬德拉是1座自給的能源島,島嶼並未與任何大陸電網連接,島嶼消耗的所有能源都在島上產生。馬德拉的電網由5種能源供電:水力、風能、太陽能、固體廢棄物焚燒以及燃燒柴油、天然氣等化石燃料的熱能,其發電系統以傳統的火力及水力發電廠為基礎,輔以大量的風能和穩定增長的太陽能產量[5]。雖然再生能源已與島上的能源結構及系統整合,但仍由傳統的火力發電廠主導。隨著島上太陽能發電量逐漸攀升,太陽輻射的峰期通常與電力需求峰期不一致,發電的隨機性在沒有電流控制系統的小型電網上難以管理,電網系統開始產生難以平衡的現象,因此SMILE計畫於現有電網中建置智慧控制和自動化系統,以全面管理配電網絡並同步解決電網壓力,因應未來預期將大量增加的太陽能和其他再生能源發電[2]

4.     薩姆索擁有多元的再生能源發電設施,包括風力、太陽能及生質能等,島嶼上電力生產量多於消耗量,主要生產來源為陸上及海上風力發電機[5]。此外,它與歐洲大陸相連,雙向連接電網可互相輸出入電力。薩姆索預期在2030年成為沒有化石燃料的島嶼。為了達到目標,建置完善的能源管理系統成為該島的主要目標。薩姆索有3座碼頭,其能源需求有高度一致性,主要由停泊遊艇和相關旅遊業的需求主導。SMILE計畫以Ballen碼頭為示範點,在碼頭以太陽能發電系統為主整合多樣再生能源設施,提供船舶、電動車和碼頭建物用電的設備,其太陽能發電量預期可占碼頭年能源使用量的1/2左右。藉由智慧電網的調度與儲能設施的建置,管理並平衡該區域的電力生產和使用量,以便在夜間使用上午太陽能發電產生的電能,為夜間停放於碼頭的船舶提供電力,確保再生能源的穩定供應。

5.     目前SMILE計畫已於202110月結束[6],其示範場域皆顯現出正面的效益與成果,預期可於未來應用至歐盟其他地區,優化歐盟境內智慧電網系統建置與應用,使未來電力供需管理能更為彈性與靈活。

 

圖2、英國奧克尼群島情境比對

2、英國奧克尼群島情境比對[4]

 

圖3、丹麥薩姆索情境比對

圖3、丹麥薩姆索情境比對[4]

 

圖4、葡萄牙馬德拉情境比對

圖4、葡萄牙馬德拉情境比對[4]

 

圖5、SMILE計畫措施與方案一覽表

圖5、SMILE計畫措施與方案一覽表[6]

 

參考資料:

[1]      Island demonstrators hint at new opportunities for the renewable energy sector,European Commissio. May 2021.

[2]      SMILE Project Brochure.

[3]      The Smart Islands Energy System, SMILE Project.

[4]      Short and medium-term scenarios for the three pilot islands (Samsø, Orkney, Madeira), Aalborg Univesity, 2018.

[5]      Demonstration of Innovative Solutions in the Framework of the SMILE Project, SMILE Project, Oct 2021.

[6]    SMart IsLand Energy systems – every story has an end…, SMILE Project, Oct 2021.