「電網」(the grid)的官方定義是指電能網路或電力網路,它是至今人類所打造的最大規模和最複雜的機器,也是最易於使用的設備之一,你只需要簡單地在插座中插入電源線,或轉動開關就可以了。換句話說,電網是將電力從發電廠輸送到家庭的設施。

1882年,美國發明家Thomas Edison在紐約市珍珠街車站(Pearl Street Station)架設了世界上第一個電網。現在,電網透過各種形式的發電廠(如核能、水力、風力渦輪、太陽能、煤炭和天然氣等)、變壓器、變電站以及超過20萬英哩的高壓輸電線路(這幾乎是地球到月球的距離),以及550萬英哩的當地配送線路,將電力輸送到千家萬戶。

20171023_SmartGrid_TA31P1 圖1:電網:電力的產生、輸送和分配(來源:EIA.gov)

目前的電網使用有限的單向互動。也就是說,電力從發電廠輸送至消費者。相形之下,智慧電網(Smart Grid)導入了雙向交換機制:電力和資訊可以在電力公司和消費者之間雙向互動。這種通訊、自動化、電腦和控制應用不斷增加的網路,有助於使電網更高效、更可靠、更安全,也更「綠色」環保。智慧電網還能讓可再生能源技術(如風能和太陽能產生的電能和插電式電動車),接取至國家電網。

20171023_SmartGrid_TA31P2 圖2:智慧電網的概念(來源:SmartGrids.eu)

智慧電網還能幫助發電和配電公司遠端預測和因應故障等問題,因而可讓當地的維修人員更快地修復停電。

說說斷電問題

發生在今年4月間的舊金山大停電事件,影響到9萬多的用戶,包括在交通尖峰時段關閉舊金山市中心的灣區捷運系統(BART)車站。你可能會問:「導致停電的原因是什麼?」是恐怖襲擊嗎?不。是駭客嗎?不。它其實是由變電站斷路器故障引起的,故障引燃了絕緣並引發火災。另一次大規模停電是發生在2003年被稱為「美加大停電」的事件,雖不是最近的事,但也影響了5,500萬人,原因竟然是未經修剪的樹枝。

這兩起事件清楚地顯示我們的電力網路竟是如此脆弱,但也進一步證明我們真的需要智慧電網。

除了預防停電的好處,或者至少能更快地恢復供電,智慧電網還為消費者帶來了好處。例如,其中一種「智慧」能源技術——智慧電表(smart meter)。

智慧電表

智慧電表是一種用於天然氣和電力的更新式計量技術,可以將實際的能源使用情況以數位方式傳送到電力供應商。這意味著家庭將不再依賴於估計的能源支出,也不必再讓抄表人員進入家中或庭院以人工讀取電表。

智慧電表還為客戶提供了近乎即時的能源消耗資料,從而使其得以瞭解、分析和更有效地管理能源利用,包括減少能源浪費,以及因而減少發電廠的排放。

20171023_SmartGrid_TA31P3 圖3:智慧電表示例

此外,智慧電表的資料有助於電力公司更有效掌握每個家庭的用電情況。「發電機組面臨的挑戰是如何因應消費者需求,調整任何指定時間內所產生的電量。發電過多會造成浪費,而且價格昂貴,而發電不足則可能必須限制用電。因此,在數小時甚至數天前準確地預測電力需求,對於電網可靠和持續運行至關重要。」

而且,就像任何新技術一樣,並不是每個人都對其有充份的瞭解。事實上,有時還存在著誤解。以下是關於智慧電表的一些常見迷思:

迷思1:智慧電表可能威脅到健康,因為它使用無線訊號進行通訊。

真相:「智慧電表發射的射頻(RF)遠低於聯邦通訊委員會(FCC)設定的極限,而且低於其它常見家用設備(如手機、嬰兒監視器、衛星電視和微波爐)所產生的輻射程度。事實上,暴露在智慧電表的RF約375年所產生的輻射量才相當於一年內每天使用15分鐘手機所產生的輻射量。」

迷思2:智慧電表無法確保我的資料安全。

真相:「正如銀行、信用卡和有線產業線上提供安全存取你的資訊一樣,電力事業也準備好同樣採用先進的安全和加密技術保障資料的安全。你資料的隱私現在是受到保護的。電力事業不斷努力以保護其安全。這並不會因為使用智慧電表而有所改變。」

迷思3:智慧電表無法為消費者帶來任何好處。

真相:「作為智慧電網的一部份,智慧電表能夠改善斷電力檢測和通知。甚至在你不得不打電話給電力公司之前,智慧電表就能領先一步以電子方式報告斷電位置,從而能更快恢復供電。此外,為用戶發送狀態通知也會方便很多。」

環境

從環境的觀點來看,在利用太陽能發電廠、風電場和水力發電站等間歇性可再生能源優勢的同時,它還有助於緩解電力需求,這一事實證明智慧電網也能為環保做出貢獻。特別是,先進複雜的智慧電網子系統將策略性地管理這些多樣化和地理上分散的可再生能源資源,以確保能夠大規模、大範圍地安全儲存這些能源,並按照需求配送至不同的地方。

智慧電網技術的發展並非一帆風順:2012年,全美公用事業公司的高階主管們聚集在一起討論有關對美國電網營運商造成嚴重新威脅的警告。你可能會問這個「嚴重威脅」是啥?答案是屋頂的太陽能電池板!

這些高階主管們看到零售額下滑、客戶流失的跡象,如果住宅太陽能的需求繼續攀升,傳統供電方式可能會被淘汰。淨計量(net metering)是一種計費機制,用於計費太陽能系統擁有者發傳送到電網中的電量。遺憾的是,有些公用事業公司認為淨計量是一種減少其收入的方法。

20171023_SmartGrid_TA31P4 圖4:淨計量圖(來源:The Washington Post)

可以預測,「電力公司正針對住宅太陽能產業提議法律條款,限制讓太陽能用戶將所產生的多餘電量賣給電網而獲利的「淨計量」做法。業界組織表示現行法律讓太陽能用戶擁有不公平的優勢,而反對者則指稱業界組織的真正目的在於摧毀競爭業務。」

20171023_SmartGrid_TA31P5 圖5:反對家用太陽能的美國各州(曾經反對或現正抗拒家用太陽能的美國各州示意圖) (來源:The Washington Post)

事實上,像美國佛羅里達(Florida)等州的官員已經把「離網」(off-grid)的家庭判定為非法,因為他們違反了「國際物業維護條款」(International Property Maintenance Codes),該條款要求房屋必須接取到電網以及自來水網路。

未來

智慧電網及其所有的智慧技術、工具和設備,將會對於國家電網在效率、降低排放以及提高其耐用性和安全方面產生積極影響。當然,這是一項新技術,任何新技術,特別是顛覆性技術,都會有必須克服的困難。然而,我真的認為我們都希望有一個可靠、安全和具成本效益的電網,而我們所期許的智慧電網目前已經可以提供這樣的功能。

此外,我堅信就智慧電網的發展和部署來說,這將是個有機整體。隨著時間的推移,它將不斷地改善和發展,並將經歷數代人的努力——正如自1882年架設電網以來我們一直在做的。

(參考原文:The Smart Grid: What’s “the grid” and how is it “smart?”,by Nick Davis, Contributing Editor, EE)