大家好， 我是德瑞克，我對氣候變遷議題下的碳金融有高度興趣，同時也抱著高度質疑。
是什麼讓一個國家的電力系統穩定？產生足夠的電力只是完成挑戰的一半。另外的一半，還需要能安全不間斷地將電力輸送到所需要的地方去。這，就是電網的重要性。
所以上一講我們談到現代電網的挑戰，也討論到可能的解決方法。
除了靠自身的努力調度之外，俗話說出外靠朋友，能找到互相支持的伙伴結盟也是很好的辦法。因此，這一講我們來談談電網的互聯。
（圖片來源：https://pixabay.com/）
「越分散，越集中」
還記得我們在前一講比喻的「電力拔河賽」嗎？隊中有風光水火四個隊員，我們用隊員的個性來形容不同發電類型的特色，也談到了隨機性帶來的挑戰。
現在如果把十支拔河隊組成聯盟，共同出力，那麼隨機性波動有機會地彼此抵消掉，而得到相對的穩定；同時，聯盟裡的資源更豐富多樣，地理上的廣闊讓水力、風能、太陽能資源更多元，可以選擇最佳的發電地點，降低發電成本；另外也因為聯盟之後電網較穩定了，因此備載電力手段可以少用一些，整體電網營運成本也會降低。
很有趣吧？！為了克服更分散的能源型態帶來的挑戰，解決方法竟然是組成聯盟，以更集中的互聯電網管理來面對。
這個事情已經廣泛地在世界各地發生，下圖中相同顏色的區域就是屬於同一個互聯電網之中。像歐洲大陸同步電網（深綠色，涵蓋24個國家），北美洲的東部互聯（淺綠色）跟西部互聯（黃色），中國的國家電網（紫色加淺綠色），還有俄羅斯與前蘇聯國家等組成的IPS/UPS互聯（橘色）。
（世界上互聯電網，也稱為廣域同步電網，資料來源：Wikipedia）
我們先來看看歐洲大電網，並且從中學習大電網互聯的優點。
先介紹一下，歐洲大電網的總發電裝機容量目前世界最大，實現了跨國電網運營，並且做到了大規模的可再生能源併網使用，值得我們好好認識。
歐洲大電網的營運者是歐洲輸電系統運營商網絡（European Network of Transmission System Operators for Electricity，簡稱ENTSO-E），ENTSO-E是由來自歐洲 36 個國家的43 家輸電系統運營商（TSO）所聯合組成。
先說明一下在先進國家裡，發電與輸送電是分開的。發電可以透過眾多生產廠商透過電力交易而自由化，但是輸送電因為資產維護成本高，而且相同的路徑也實在沒必要蓋兩條以上的線路，所以就有了專門只做輸電系統的運營商（Transmission System Operators ，簡稱TSO）。
TSO負責主要高壓電網上的大量電力傳輸。TSO為電力市場的參與者們（包括發電公司、貿易商、供應商、分銷商和直接連接的用電客戶）提供電網接入。在許多國家，TSO 也負責電網基礎設施的開發。
ENTSO-E 覆蓋的地理區域主要分為五個同步電網。這五個同步電網分別是歐洲大陸同步電網（上面世界地圖深綠色區域）、北歐同步電網（上面世界地圖深藍色區域）、波羅的海同步電網、英國電網和愛爾蘭電網。我們可以把它想成，歐洲這麼多國家，先組成五個小聯盟，然後五個小聯盟再組成一個大聯盟。
在每個小聯盟（同步電網）之內，彼此的電力系統是互相連接的，系統頻率也會是同步的，也就是同一個小聯盟（同步電網）中的國家彼此是生命共同體。而在大聯盟（大歐洲電網）中，不同的小聯盟（同步電網）之間，則通過高壓直流的方式互聯在一起，如果當別的小聯盟有困難時，能互相伸出援手。
若是以拔河隊打比方的話，幾個國家組成同步電網（小聯盟），就是真的把幾個拔河隊真的合併在一起，共用一條繩子來跟總需求拔河，所以輸贏是綁在一起的。
而同步電網之間用直流高壓組成合作的大電網，就像是拔河的小聯盟之間有借將的協議，遇到困難了可以互相調度，但是不同的小聯盟之間用的是不同條繩子，輸贏就沒有綁在一起。後面我們會提到為什麼需要這樣的操作。
（歐洲大電網各國之間的電力進出流動量，資料來源：https://www.entsoe.eu/）
上圖是取自ENTSO-E官方統計的2018年電力流動數據。就像貿易一樣，每個國家也會有電力的進口總額跟出口總額（圖中右邊表格）。從這些數據中可以得到一些有趣的觀察。
像是瑞士（代號CH），進口總額32，420GhW，出口總額31，693GhW，進口跟出口總額都這麼大，但是兩者的差異卻這麼小，也就是瑞士在大量進口電力的同時，也在大量的出口電力，為什麼呢？
這是因為瑞士位在歐洲的中心地帶，是德國、法國、義大利、奧地利之間的交通樞紐，因此瑞士就成了「電力高速公路」上的必經站點，所以這些大量的電力是瑞士的經過流量，而非消耗量。
站在大量電力流動的十字路口上，成為了瑞士穩定電力系統的關鍵因素。附帶一提，瑞士是世界銀行統計國家電力系統穩定第三名的國家。（法國排第一，南韓排第二，台灣很厲害的排在第五名）
另外，丹麥（代號DK）也特別引人注目，我們曾在第十七講專文談過，丹麥擁有世界上占比最高的風電裝機容量（約占全國能源的40%），部分原因是它有一些好鄰居能讓它無後顧之憂。挪威的豐沛水力發電可以作為丹麥風力發電的巨大備用電池。
所以當風小的時候，丹麥可以進口電力（進口總額為15，606GhW）；而當風吹起時，丹麥除了自己用之外，還能出口電力（進口總額為10，413GhW）。這也是一個電力大量進口與大量出口的國家，就是這樣彈性的電力調度空間，成為了合適可再生能源發展的土壤。
讓我們總體看看歐洲大電網的關鍵數據：橫跨36個國家，涵蓋43家電網營運商（TSO），服務客戶超過5億人，輸電線路超過30萬公里，總傳輸電力達3174TWh，而其中有TSO之間交換的電力為423，586GWh。也就是每100%的電力傳送中，就有13%是用來做電力交換與支援的，換句話說，歐洲國家平均有13%的電是來自於國外供應來的，這個比例滿高的，表示歐洲電網的大聯盟確實有運作實績。
但是，利用結盟互相連結的方式，來將波動性降低，提高穩定度，這怎麼聽起來這麼熟悉？三國演義中，曹操在赤壁之戰中，也用了大鐵鍊與木板把船隻聯合起來，形成長江上的移動城堡，來克服個別船隻在水上的顛簸。
（三國演義，火燒連環船。圖片來源：鐵血社區）
可是歷史告訴我們，多個組織連結的大系統很強，但就怕其中一個組織突然壞死而系統無法將之脫鉤，會連累到系統整體。
火燒連環船是如此，大電網的連結也是。廣域區域內組成同步電網的缺點就是「某一部分的問題可能會對整個同步電網產生影響」。
當一切運行順利時，電力系統被描述為「平衡」。在這種狀態下，供應完全滿足需求，所有必要條件（例如電壓和頻率）都適合安全高效的電力運輸。
但是任何輕微偏差或不匹配都可能導致基礎設施跳閘並切斷電源，而系統越大，要能完美地控制偏移或不匹配就越難，這是互聯電網的挑戰，也是它成長的極限。
讓我們換個場景。來看看北美的互聯電網與他們曾經嘗試過的努力。
（資料來源：Wikipedia）
北美（美國與加拿大）有九個電力管理區域（如上圖九個不同顏色區塊），而這九個電力管理區域各自合併成同步電網，總共併成了兩大三小的同步電網。
兩個大同步電網分別是東部互聯（East Interconnection）與西部互聯（West Interconnection），三小分別是德州互聯、魁北克互聯和阿拉斯加互聯。
跟前面歐洲大電網相似，在互聯電網之內的所有發電與用電都是同步的，必須保持頻率相同且同步，所以會互相影響。而不同的同步電網之間不直接相互同步，但有一些線路互相支援電力。
曾經，創立一個橫跨北美東西岸（from-coast-to-coast）的巨大同步電網，是美國電力工程師的偉大夢想。整個世代的電力工程師們從1950年代開始築夢，在1967年完成過這樣偉大的建置！
讓從東岸到西岸所有電力運作部件，都同步工作以傳輸電力，讓美國西岸洛杉磯一間公寓裡的燈，能夠與東岸波士頓的一家發電廠相連。這可是一項最高級別的工程成就。
只是不穩定很快就困擾著電力網路，就算工程師們費盡心力地在匹配電網上的每個環節。然而，跨區電網意味著，得整合不同的發電廠與輸配電方，而不同公司之間的財務目標與營運規劃，讓協調與調度困難重重，也影響了整體的穩定性。
而工程師們也認識，要這麼大範圍的連結東西方，還要能持續保持電網穩定不出亂子，以當時技術來說是有侷限的。而有關當局也無法再容忍不穩定的電網，後面就徹底放棄了單一互聯北美電力系統的概念。
所以工程師們不再執著於互聯於同步電網之內，而是找到了另一種方式。在獨立運作的同步電網之間，用高壓直流的方式，讓彼此電網互享電力，卻不必保持同步。用英文來說，they were connected， but not interconnected。
所以，互聯的電網有其好處，就像連環船能克服長江上的顛簸一樣，但是系統太大就難以控制，而且牽一髮動全身，一處差錯可能就會牽連整體。所以歐洲與北美都選擇以中型區域做互聯電網，然後在更大的區域範圍內用高壓直流的方式，做電網之間的電力互享。
最後，我們用中國電網，來了解當資源與需求在地理位置上不匹配時，怎麼利用大電網截長補短。
可再生能源豐富的地方，往往不是現在人們大量聚落的都市。水力發電旺盛的地方，可能是高低落差大的叢山峻嶺；風力與太陽能旺盛的地方，可能是一望無際的沙漠。為了讓電力資源能搭配上需求，電網往往需要長距離大跨幅的媒合供給與需求。
以中國來說，風力與太陽能資源集中於西北部，而水力資源集中在西南部。偏偏能源的需求都集中在東部沿海地帶。所以「西電東送」被視為是中國新世紀四大工程之一。
（西電東送，圖片來源：http://www.envirunion.com/）
這樣的調度，需要將電力從生產端，千里迢迢的送到需求端。舉例來說，來自四川長江上游，滾滾金沙江的水，沖往向家壩水電站所發出的電，會一路被送到了2000公里外的上海，點亮上海的夜生活。
又或者，從甘肅省西北部能源豐富的酒泉地區，把敦煌的「風」「光」能量，歷經2000公里的旅途，滿足整個湖南省四分之一的電力需求。
而這麼遠距離的電網傳輸，是怎麼做到的呢？下一講，我們來看看電力的長途旅行，以及其中的技術與機會。
（圖片來源：https://pixabay.com/）
相關新聞
編輯精選
自由評論網粉絲團
