2024/08/13 智慧電網技術確保極端天氣下的電網穩定性

智慧電網技術確保極端天氣下的電網穩定性
發表日期：2024-2-8
作者：Kit Million Ross；翻譯：吳名翊
引用來源：https://www.power-technology.com/features/smart-grid-tech-to-ensure-grid-stability-in-extreme-weather/?cf-view&cf-closed
『參考要點』：由於氣候變遷導致極端天氣事件日益普遍，能源產業正在努力尋找解決方案，以解決影響數百萬人的停電問題。 Kit Million Ross 解釋了智慧電網技術如何提供幫助。
 
聯合國減少災害風險辦公室於2020年10月發表的一份報告中，分析1980年至2019年間極端天氣事件的數量與嚴重程度，得出了令人震驚的結果。1980年至1999年間，全球共發生4,212起天災，造成119萬人死亡，影響32.5億人，造成約1.63兆美元（約新臺幣53兆3,605億元）的經濟損失。2000年至2019年間，這些數字出現了驚人的增長，記錄在案的災害有7,348起，造成123萬人死亡，影響42億人，造成全球經濟損失約2.97兆美元（約新臺幣97兆2,274億元）。儘管沒有關於世界各地電網受損的確切數據，但眾所周知，極端天氣事件會損害有形電力基礎設施，特別是在低收入社區，這些社區往往是受這些事件影響最嚴重的地區。
雖然受影響人數的增加部分主要原因是人口大幅增長，但極端天氣事件的增加與氣候變遷直接相關，專家們一致認為，更多的極端天氣會對電網造成嚴重破壞。2000年至2021年間，美國83%的重大停電是由於天氣相關事件造成的，與2000年至2010年相比，2011年至2021年間與天氣相關的停電平均次數增加了78%左右。
隨著氣候變得越來越不可預測，傳統電網對極端天氣事件的脆弱性變得越來越明顯。隨著現有電力系統受到更多審查，智慧電網技術可以成為加強我們能源基礎設施的希望燈塔。智慧電網技術如何幫助我們適應？我們揭示了可以應對氣候變遷的技術進步，重新定義了電力基礎設施可靠性的本質。
極端天氣對電網的影響
要了解極端天氣對電網造成的傷害，即使在已開發國家，我們只要看看美國就知道了。近年來，美國極端炎熱、寒冷或暴風雨期間長時間停電的消息經常成為頭條新聞，從2023年7月觸發美國電網緊急警報的熱浪，到2021年冬季風暴導致400萬德克薩斯人斷電，而該州電網距離徹底無法運作只有四分鐘的時間。隨著時間的推移，電網的壓力只會變得越來越嚴重，電網迅速老化，惡劣的天氣增加了電力資產的需求與物理壓力，清潔能源革命加速全球電力需求，隨著再生能源的發展，需要一個更有效、反應更快的電網。
值得重申的是，停電和電網中斷的影響不僅僅是舒適度、娛樂或商業的下降。對許多人來說，這是生死攸關的問題；美國德州2021年冬季風暴估計造成246人死亡，一些專家認為死亡人數要高得多。無法因應極端溫度不僅會危及生命，而且對於那些依賴基本醫療設備的人來說，無論天氣如何，斷電都意味著失去生命線。
 
簡要說明智慧電網
國際能源總署（IEA）將智慧電網定義為「使用數位與其他先進技術，來監控與管理所有發電來源的電力傳輸，以滿足最終用戶不同電力需求的電力網路」。簡而言之，智慧電網技術允許家庭及企業傳達用電模式，因此可以即時控製配電。
當極端天氣導致電力需求突然激增時，具有預測與預防問題的遠見、回應問題的靈活性，以及支持這兩個目標的數據管理是有效智慧電網系統的關鍵。
整個電網基礎設施的感測器與監控設備的整合，是智慧電網系統的核心。透過感測器不斷收集溫度、濕度、風速及功率流等各種參數的數據。這些即時資訊使智慧電網能夠預測並快速回應與天氣相關的挑戰。此外，還採用先進的天氣預報演算法，來預測惡劣天氣事件，使電網能夠自動調整其運作。事實上，電網自動化發揮著至關重要的作用，它利用複雜的控制系統重新路由電力、隔離受損部分並確定關鍵基礎設施的優先順序。
再生能源是現代電網的組成部分，需要在極端天氣下採取調適策略。智慧電網採用預測分析來預測面臨風暴或其他不利條件，再生能源發電的波動。電池儲能系統對於穩定電網至關重要，它可以在最佳條件下儲存多餘的能量，並在需求高峰或再生能源發電下降時釋放能量。透過去中心化的太陽能電池板及小型風力渦輪機，實現能源來源多樣化與減少對集中式發電廠的依賴，強化電網的韌性。
通訊網路是智慧電網韌性的另一個關鍵。如果開發得當，強大的通訊通道可以促進電網組件之間無縫、高效的資訊交換，確保即使面對極端天氣，也可以不間斷地轉發關鍵指令。人工智慧（AI）演算法透過分析歷史數據、識別模式並做出即時決策減輕潛在危機，從而優化電網的反應。然而，一些觀察家指出，天氣模式的快速而極端的變化，使得依賴歷史數據變得徒勞無功。人們無法利用歷史數據來處理往往前所未有的情況。預測建模已被提出作為一種有前途的解決方案。麥肯錫的研究創建了一種預測建造模組方法，證明其能夠為電網營運商提供在緊急情況下做出明確選擇所需的資訊。
 
智慧電網應對極端天氣的案例
雖然智慧電網的想法仍處於起步階段，但早期的實施與研究已經顯示出該技術的前景。在美國能源部的支持下，美國西維吉尼亞州的研究正在開發一種新的「超級電路」，當系統遇到故障時，可以遠端重新配置，隔離故障並允許不間斷的電力流動。雖然該系統仍在開發中，但很容易想像在極端天氣事件期間，這種靈活性如何確保電網穩定性；如果系統損壞（無論是由於突然的需求激增還是物理天氣損壞）可以輕鬆快速地隔離，並在其周圍轉移電力，那麼美國西維吉尼亞州就不太可能經歷長時間的危險停電。
同時，美國田納西州查塔努加市在2009年現代化建設中實施了智慧電網技術，從中獲益匪淺。即時顯示，該市的停電情況大幅下降了55%。
在日本，公用事業巨頭東京電力使用智慧電網技術來幫助加速2019年颱風法賽後的恢復速度。確切了解損壞與停電，對公民造成影響原因，並快速派遣人員修復特定損壞點。
 
未來展望
智慧電網技術在應對極端天氣方面具有巨大潛力，並且已經得到許多政府的支持。2022年，美國拜登政府提出的一項基礎設施改善法案專門撥款270億美元（約新臺幣883億8,855萬元）用於提高電網韌性，其中30億美元（約新臺幣9,820億9,500萬元）專門用於部署智慧電網技術。英國國家電網於2021年宣布，將建立英國整個電力網路的即時數位，以幫助提高電網的靈活性。
面對極端天氣帶來的日益嚴重的威脅，智慧電網技術提供了潛在的解決方案。每一次進步，我們都離這樣的未來更近了一步：極端天氣不再意味著電力脆弱，而是強調技術強化的能源格局的韌性。