分散式發電

 

集中式發電（左）與分散式發電（右）

分散式發電，也稱為分散式能源、現場發電（OSG），[ 1 ]或區域/分散式能源，是由各種小型、併網或配電系統連接的設備進行發電和存儲，稱為分佈式能源。​ [ 2 ]

傳統發電站，如燃煤、燃氣、核電廠以及水力發電廠和大型太陽能發電站，都是集中式的，往往需要長距離傳輸電能。相較之下，分散式能源系統採用分散式、模組化且更靈活的技術，位於其所服務的負載附近，但容量僅為 10兆瓦(MW) 或更小。這些系統可以包含多個發電和儲存組件；在這種情況下，它們被稱為混合動力系統。[ 3 ]

分散式能源系統通常使用再生能源，包括小水力、生質能、沼氣、太陽能、風能和地熱能，並日益在配電系統中發揮重要作用。用於電力儲存的併網設備也可以歸類為分散式能源系統，通常稱為分散式能源儲存系統（DESS）。[ 4 ]透過接口，可以在智慧電網內管理和協調分散式能源系統。分散式發電和儲存能夠從多種來源收集能源，並可能降低環境影響[需要引用]並提高供應安全性。[ 5 ]

太陽能、風電等分散式能源併網的主要問題之一是這些電力資源的不確定性。這種不確定性可能會導致配電系統出現一些問題：（i）它使供需關係變得極其複雜，需要複雜的優化工具來平衡網絡，（ii）它給輸電網絡帶來更大的壓力，[ 6 ]和(iii)可能導致電力從配電系統反向流向輸電系統。[ 7 ]

微電網是現代的、局部的、小規模的電網，[ 8 ] [ 9 ]與傳統的集中式電網（宏電網）相反。微電網可與集中式電網斷開並自主運行，增強電網彈性，並有助於減輕電網擾動。它們通常是低壓交流電網，通常使用柴油發電機，並由其服務的社區安裝。微電網越來越多地採用不同分散式能源的混合，例如太陽能混合發電系統，這顯著減少了碳排放量。

概述

從歷史上看，中央電廠一直是電網的組成部分，其中大型發電設施專門位於靠近資源的地方或遠離人口稠密的負載中心的地方。這些反過來又為傳統的輸配電 (T&D) 電網供電，將大容量電力分配給負載中心，並從那裡分配給消費者。這些是在運輸燃料和將發電技術整合到人口稠密地區的成本遠遠超過開發輸配電設施和關稅的成本時開發的。中央工廠通常設計為以特定地點的方式利用現有的規模經濟，並作為“一次性”定制項目建造。

這些規模經濟在21 世紀60 年代末開始失敗，到21 世紀初，中央發電廠可以說不再透過電網向更偏遠的客戶提供具有競爭力的廉價且可靠的電力，因為這些發電廠的成本已經低於電網變得非常可靠，幾乎所有停電都源自於電網。因此，電網已成為遠端客戶電力成本和電能品質問題的主要驅動因素，隨著數位設備需要極其可靠的電力，這個問題變得更加嚴重。 [ 10 ] [ 11 ]效率的提升不再來自於增加發電能力，而是來自於靠近需求地點的小型機組。[ 12 ] [ 13 ]

例如，燃煤發電廠建在遠離城市的地方，以防止嚴重的空氣污染影響民眾。此外，此類工廠通常建在煤礦附近，以最大限度地降低煤炭運輸成本。水力發電廠本質上僅限於在水流量充足的地點運作。

低污染是燃燒天然氣的複合循環發電廠的重要優勢。低污染使得這些工廠能夠距離城市足夠近，以提供區域供暖和冷卻。

分散式能源資源量大、規模小、地點特定性較差。他們的發展源自於：

  1. 對中央電廠發電外部化成本的擔憂，特別是環境問題；
  2. 大容量電力輸配電的老化、老化和容量限制不斷增加；
  3. 與大型設備的重型製造和現場施工相比，大規模生產小型設備的相對經濟性不斷提高；
  4. 隨著能源相對價格的上漲，監管、關稅管理以及計量和計費的整體複雜性和總成本也更高。

資本市場已經意識到，對於個人客戶、配電變電站或微電網來說，規模適當的資源能夠比中央電廠提供重要但鮮為人知的經濟優勢。較小的單位透過大規模生產所獲得的經濟效益比較大的單位僅透過其規模獲得的經濟效益更大。這些資源的價值增加——由於財務風險、工程靈活性、安全性和環境品質的改善而產生——往往超過了它們明顯的成本劣勢。[ 14 ]相對於中央發電廠，分散式發電 (DG) 必須在生命週期的基礎上進行論證。[ 15 ]不幸的是，DG 的許多直接效益和幾乎所有間接效益並未在傳統公用事業現金流會計中體現。[ 10 ]

雖然以千瓦時計算，分散式發電的平準化成本通常比傳統的集中式能源更昂貴，但這並未考慮傳統燃料的負面影響。隨著需求的增加和技術的進步，DG的額外溢價正在迅速下降，[ 16 ] [ 17 ]充足且可靠的需求可能會帶來規模經濟、創新、競爭和更靈活的融資，這可能使DG清潔能源成為未來更加多元化。[需要引用]

DG 減少了電力傳輸過程中的能量損失，因為電力是在非常靠近使用地點的地方產生的，甚至可能在同一棟建築物內。這也減少了必須建造的電源線的尺寸和數量。

上網電價補貼（FIT）計畫中的典型分散式能源系統具有低維護、低污染和高效率的特性。過去，這些特性需要專門的操作工程師和大型複雜的工廠來減少污染。然而，現代嵌入式系統可以為這些特徵提供自動化操作和再生能源，例如太陽能、風能和地熱能。這減少了可以獲利的發電廠的規模。

網路安全

用於數千個給定電源安裝的單一供應商的控制系統中的漏洞可能會導致單一攻擊者遭受駭客攻擊並遠端停用所有這些電源，從而在很大程度上扭轉了分散式發電的優勢，這在太陽能的實踐中得到了證明電力逆變器[ 18 ] [ 19 ]和風力發電控制系統。[ 20 ]2024年11月，德業和Sol-Ark逆變器製造商因涉嫌區域銷售政策糾紛而在部分國家遠端停用。兩家公司後來聲稱，堵塞並非遙遠，而是由於逆變器內置的地理圍欄機製造成的。 [ 21 ]

歐盟 NIS2 指令將網路安全要求擴展到能源發電市場，[ 22 ]遭到再生能源遊說團體的強烈反對。[ 23 ]

平價上網

當替代能源能夠以低於或等於最終消費者零售價的平準化成本 ( LCOE )發電時，就會出現電網平價。達到電網平價被認為是一種能源在沒有補貼或政府支持的情況下成為廣泛發展的競爭者的臨界點。自 2010 年代以來，太陽能和風能的平價上網已在越來越多的市場成為現實，包括澳洲、幾個歐洲國家和美國的一些州[ 24 ] [需要更新]

科技

分散式能源（DER）系統是小規模發電或儲存技術（通常在 1 kW 至 10,000 kW 範圍內）[ 25 ]，用於提供傳統電力系統的替代或增強。分散式能源系統的典型特徵是每千瓦初始資本成本較高。[ 26 ] DER系統也可用作儲存設備，通常稱為分散式能源儲存系統（DESS）。[ 27 ]

分散式能源系統可能包括以下設備/技術：

熱電聯產

分散式熱電聯產資源使用蒸汽渦輪機、天然氣燃料電池、微型渦輪機或往復式發動機[ 30 ]來驅動發電機。然後，熱廢氣用於空間或水加熱，或驅動吸收式製冷機[ 31 ] [ 32 ]進行冷卻，例如空調。除了基於天然氣的計劃外，分散式能源項目還可以包括其他可再生或低碳燃料，包括生物燃料、沼氣、垃圾掩埋氣、污水氣、煤層氣、合成氣和伴生石油氣。[ 33 ]

Delta-ee 顧問在2013年表示，燃料電池微型熱電聯產系統在2012年的銷量中超過了傳統系統，佔全球銷量的 64% 。 。 PEM 燃料電池單元的使用壽命約為 60,000 小時（在夜間關閉），相當於估計壽命為 10 到 15 年。[ 35 ]安裝前價格為 22,600 美元。[ 36 ] 2013年國家補助5萬輛。[ 35 ]

此外，使用天然氣的熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，例如來自FuelCell Energy和Bloom 能源伺服器的燃料電池，或垃圾發電過程，例如 Gate 5 能源系統，被用作分散式能源。

太陽能發電

更多資訊：光伏系統

光伏發電是迄今為止分散式太陽能發電最重要的太陽能技術，它利用組裝成太陽能板的太陽能電池將陽光轉換為電能。這是一項快速發展的技術，其全球裝置容量每隔幾年就會翻倍。光電系統的範圍從分散式、住宅和商業屋頂或建築一體化裝置，到大型集中式公用事業規模光電站。

主要的光伏技術是晶體矽，而薄膜太陽能電池技術約佔全球光伏部署的 10%。[ 37 ]近年來，光伏技術提高了太陽光到電能的轉換效率，降低了每瓦安裝成本，降低了能源投資回收期（EPBT）和平準化度電成本（LCOE），並已在2017年達到併網平價。​

作為大多數再生能源，與煤炭和核能不同，太陽能光伏發電具有可變性和不可調度性，但沒有燃料成本、營運污染，並且大大減少了採礦安全和營運安全問題。它每天在當地中午左右產生峰值電力，容量係數約為 20%。[ 39 ]

風力

主詞條：風力發電

風力渦輪機可以是分散式能源，也可以以公用事業規模建造。這些能源的維護成本低，污染也低，但與公用事業規模的風能不同，分散式風能的成本比其他能源高得多。[ 40 ]與太陽能一樣，風能也是可變且不可調度的。風塔和發電機因強風而承擔大量可保責任，但運作安全性良好。風力混合發電系統的分散式發電將風力發電與其他分散式能源系統結合。一個這樣的例子是將風力渦輪機整合到太陽能混合發電系統中，因為風能往往會補充太陽能，因為每個系統的峰值運行時間發生在一天和一年的不同時間。

水力發電

主條目：小水電和波浪能

水力發電是使用最廣泛的可再生能源形式，其潛力已經在很大程度上得到了開發，或者由於對漁業的環境影響和娛樂需求增加等問題而受到損害。然而，利用波浪能等現代 21 世紀技術，可以提供大量新的水力發電能力，同時對環境的影響很小。

模組化和可擴展的下一代動能渦輪機可以陣列部署，以滿足住宅、商業、工業、市政甚至區域規模的需求。微水力發電機不需要水壩或蓄水池，因為它們利用水運動的動能，無論是波浪或水流。無需在海岸線或海床上進行任何施工，從而最大限度地減少對棲息地的環境影響並簡化許可流程。這種發電對環境的影響也很小，非傳統的微型水力發電應用可以與現有的建築（例如碼頭、橋墩、橋台或類似結構）連接。[ 41 ]

垃圾發電

主詞條：垃圾發電與垃圾發電廠

都市固體廢棄物（MSW）和自然廢棄物，如污水污泥、食物廢棄物和動物糞便，會分解並釋放出含甲烷的氣體，這些氣體可以被收集起來並用作燃氣渦輪機或微型渦輪機的燃料，以產生電力作為分散式能源。此外，總部位於加州的 Gate 5 Energy Partners, Inc. 開發了一種工藝，將污水污泥等天然廢料轉化為生質燃料，燃燒後為蒸汽渦輪機提供動力。這種電力可以取代廢物源（例如處理廠、農場或乳製品廠）的電網電力。

儲能

主條目：電網儲能

分散式能源不限於發電，還可以包括儲存分散式能源（DE）的設備。[ 27 ]分散式能源儲存系統（DESS）應用包括多種類型的電池、抽水蓄能、壓縮空氣和熱能儲存。[ 42 ] : 42 透過能源儲存即服務(ESaaS) 等計畫可以輕鬆取得商業應用能源儲存。

光電儲能

現今光伏系統中使用的常見可充電電池技術包括閥控式鉛酸電池（鉛酸電池）、鎳鎘電池和鋰離子電池。與其他類型相比，鉛酸電池的壽命較短，能量密度較低。然而，由於其高可靠性、低自放電（每年 4-6%）以及低投資和維護成本，它們目前是小型住宅光伏系統中使用的主要技術，如鋰離子電池仍在開發中，價格約為鉛酸電池的3.5 倍。此外，由於光伏系統的儲存設備是固定的，因此鉛酸電池的較低能量和功率密度以及因此較高的重量並不像電動車那麼重要。[ 43 ]：4、9 
然而，鋰離子電池，如Tesla Powerwall，在不久的將來有可能取代鉛酸電池，因為它們正在集中開發，並且由於大型生產設施（如超級工廠1 .此外，插電式電動車的鋰離子電池可以作為未來的儲存設備，因為大多數車輛平均95%的時間都是停放的，它們的電池可以用來讓電力從汽車流向電源。其他考慮用於分散式光伏系統的可充電電池包括鈉硫電池和釩氧化還原電池，分別是熔鹽電池和液流電池的兩種主要類型。[ 43 ]：4 

車到電網

未來幾代電動車可能能夠在需要時將車輛電池中的電力輸送到電網中。[ 44 ]電動車網路有潛力充當 DESS。[ 42 ]：44 

飛輪

先進的飛輪儲能(FES)透過在真空外殼中將轉子（飛輪）加速至約 20,000 至超過 50,000 rpm 的極高速度，以角動能的形式儲存分散式資源產生的電力。飛輪可以快速響應，因為它們可以在幾秒鐘內儲存電力並將其反饋到電網中。[ 45 ] [ 46 ]

與電網集成

出於可靠性原因，分散式發電資源將與中心站互連到同一輸電網。將這些資源整合到電網中會出現各種技術和經濟問題。電能品質、電壓穩定性、諧波、可靠性、保護和控制等領域出現技術問題。 [ 47 ] [ 48 ]必須針對分散式發電站和中央發電站的所有組合檢查電網上保護裝置的行為。[ 49 ]大規模部署分散式發電可能會影響電網的頻率控制和儲備分配等功能。[ 50 ]因此，智慧電網功能、虛擬發電廠[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]和電網儲能（例如向加油站供電）被加入到電網中。公用事業和資源管理組織之間會發生衝突。[ 54 ]

每個分散式發電資源都有其自身的整合問題。太陽能光電發電和風力發電都具有間歇性和不可預測性，因此會產生許多電壓和頻率的穩定性問題。這些電壓問題會影響機械電網設備，例如有載分接開關，這些設備反應過於頻繁，磨損速度比公用事業公司預期的要快得多。[ 55 ]此外，在太陽能發電高峰期沒有任何形式的能源儲存，公司必須在日落前後迅速增加發電量，以補償太陽能發電的損失。這種高爬坡率產生了業界所說的「鴨子曲線」，這是未來電網營運商主要關注的問題。[ 56 ]如果儲存可以實現的話，它可以解決這些問題。飛輪已證明可以提供出色的頻率調節。[ 57 ]此外，與電池相比，飛輪具有高度可循環性，這意味著它們在大量循環（約 10,000 個循環）後仍保持相同的能量和功率。[ 58 ]短期使用電池，在足夠大的使用規模下，可以幫助拉平鴨子曲線並防止發電機使用波動，並可以幫助維持電壓分佈。[ 59 ]然而，成本是能量儲存的主要限制因素，因為每種技術的大規模生產都極為昂貴，並且與液體化石燃料相比能量密度相對較低。最後，另一種輔助整合的方法是使用智慧逆變器，當能源產生多於消耗時，該逆變器也能夠儲存能量。[ 60 ]

緩解 DG 整合的電壓和頻率問題

由於增加了 DG 的實施，已經採取了一些措施來緩解電壓和頻率問題。最值得注意的是，IEEE 1547 設定了分散式能源的互連和互通性標準。 IEEE 1547 根據幹擾後的時間以及電壓不規則或頻率不規則的幅度設定了特定的曲線，指示何時清除故障。[ 61 ]電壓問題也為傳統設備提供了執行新操作的機會。值得注意的是，逆變器可以調節 DG 的電壓輸出。改變逆變器阻抗可以改變DG的電壓波動，這意味著逆變器具有控制DG電壓輸出的能力。[ 62 ]為了減少 DG 整合對機械電網設備的影響，變壓器和有載分接開關有可能實施特定的分接操作與電壓操作曲線，從而減輕 DG 造成的電壓不規則的影響。也就是說，有載分接開關對電壓波動的反應持續時間比 DG 設備產生的電壓波動持續時間更長。[ 63 ]

獨立混合動力系統

現在可以結合光伏發電、電池和熱電聯產等技術來製造獨立的分散式發電系統。[ 64 ]

最近的研究表明，此類系統的電力成本較低。[ 65 ]

許多作者現在認為，這些技術可能會導致大規模的電網叛逃，因為消費者可以使用主要由太陽能光電技術組成的離網系統來發電。[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]例如，落磯山研究所提出可能存在大範圍的電網缺陷。[ 69 ]這得到了中西部研究的支持。[ 70 ]

成本因素

熱電聯產之所以受到青睞，是因為大多數建築物已經燃燒燃料，而熱電聯產可以從燃料中獲得更多價值。本地生產不存在長距離輸電線的電力傳輸損失，也不存在變壓器焦耳效應造成的能量損失，通常會損失 8-15% 的能量[ 71 ]（另請參閱按來源劃分的電力成本）。一些較大的裝置利用複合循環發電。通常，它由燃氣渦輪機組成，其排氣將水煮沸，用於朗肯循環中的蒸汽渦輪機。蒸汽循環的冷凝器為空間加熱或吸收式製冷機提供熱量。熱電聯產複合循環發電廠具有已知的最高熱效率，通常超過 85%。[需要引用]在擁有高壓燃氣分佈的國家，可以使用小型渦輪機將燃氣壓力提高到國內水平，同時提取有用的能量。如果英國要在全國範圍內實施這項計劃，則將額外提供 2-4 GWe。 （請注意，能量已經在其他地方產生以提供高初始氣壓——這種方法只是通過不同的路線分配能量。）

微型電網

主詞條：微電網

微電網是發電、儲能和負載的局部組合，通常連接到傳統的集中式電網（宏電網）。與宏電網的這一單點公共耦合可以被斷開。然後微電網就可以自主運作。[ 72 ]微型電網中的發電和負載通常在低壓下互連，並且可以在直流、交流或兩者的組合下運作。從電網營運商的角度來看，可以像控制一個實體一樣控制連接的微電網。

微電網發電資源可以包括固定電池、燃料電池、太陽能、風能或其他能源。多個分散的發電源以及將微電網與較大網路隔離的能力將提供高度可靠的電力。微型渦輪機等發電廠產生的熱量可用於局部過程加熱或空間加熱，從而可以在熱和電力需求之間進行靈活的權衡。

微電網是在2012 年 7 月印度停電後提出的：[ 73 ]

  • 覆蓋半徑30-50公里的小型微電網[ 73 ]
  • 5-10 MW 小型電站，為微電網提供服務
  • 在本地發電，以減少對長距離輸電線路的依賴並減少傳輸損耗。

微電網已在世界各地的許多社區實施。例如，特斯拉在薩摩亞塔烏島建造了太陽能微電網，為整個島嶼提供太陽能供電。[ 74 ]這種在地化生產系統幫助節省了超過 380 立方公尺（100,000 美加侖）的柴油。如果在此期間沒有陽光的話，它也能夠維持島嶼三天。[ 75 ]這是一個很好的例子，說明如何在社區實施微電網系統，以鼓勵可再生資源的使用和在地化生產。

為了正確規劃和安裝微電網，需要進行工程建模。有許多模擬工具和最佳化工具來模擬微電網的經濟和電力效應。勞倫斯伯克利國家實驗室的分散式能源客戶採用模型（DER-CAM）是一種廣泛使用的經濟優化工具。另一種常用的商業經濟建模工具是Homer Energy ，最初由國家再生實驗室設計。還有一些指導微電網開發人員的潮流和電氣設計工具。太平洋西北國家實驗室設計了公共可用的 GridLAB-D 工具，電力研究所 (EPRI)設計了 OpenDSS 來模擬配電系統（針對微電網）。專業整合 DER-CAM 和 OpenDSS 版本可透過BankableEnergy取得， 存檔日期： 2018 年 7 月 11 日，網址：Wayback Machine。丹麥奧爾堡大學的 EnergyPLAN 是一種可用於電氣、冷卻、加熱和製程熱需求模擬的歐洲工具。

分散式能源系統中的通信

  • IEC 61850 -7-420 由 IEC TC 57 發布：電力系統管理和相關資訊交換。它是 IEC 61850 標準之一，其中一些標準是實施智慧電網所需的核心標準。它使用根據 IEC 61850-8-1 標準映射到MMS 的通訊服務。
  • OPC也用於DER系統不同實體之間的通訊。
  • 電氣和電子工程師協會IEEE 2030.7 微電網控制器標準。此概念依賴於4 個模組：a) 設備級控制（例如電壓和頻率控制），b) 區域控制（例如資料通訊），c) 監控（軟體）控制器（例如發電和負載資源的前瞻性調度最佳化）和 d) 網格層（例如與公用設施的通訊）。
  • 有各種複雜的控制演算法，使得小型住宅分散式能源（DER）使用者難以實施能源管理和控制系統。特別是，通訊升級和數據資訊系統可能會使其變得昂貴。因此，一些專案試圖透過現成的產品來簡化 DER 的控制，並使其可用於主流（例如使用 Raspberry Pi）。[ 76 ] [ 77 ]

2010 年，科羅拉多州頒布了一項法律，要求到 2020 年，科羅拉多州 3% 的電力利用某種分散式發電。[ 78 ] [ 79 ]

2017 年 10 月 11 日，加州州長傑瑞·布朗簽署了一項法案 SB 338，該法案要求公用事業公司規劃「天然氣發電的無碳替代方案」以滿足高峰需求。該法律要求公用事業公司評估能源儲存、效率和分散式能源等問題。[ 80 ]

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—— Matthew 22:37 —— 馬 太 福 音 22:37

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