基載－當今網路的最大問題

基本負載的概念是電氣工程和電網管理的基礎，是能源系統可靠性和安全性的重要基礎。為了充分理解其重要性，有必要對其進行清晰的定義，分析其在電網穩定性中的作用、其不足的嚴重後果，以及確保其持續供應的歷史和現代策略。

  1. 電負載（基本負載）的定義與組成部分

電網的基荷是指在給定時間段（例如一週）內電網的最低需求水準。簡而言之，它代表必須持續供應給電力系統的最低功率。基荷是指能源需求水平，在該水平以下，用電量永遠不會（或很少）下降。

為了確定基本負荷，分析日常電力消耗的典型細目是有用的：

  1. 基本負荷：最低且恆定的要求。
  2. 中等負載：大多數電氣系統和電器運作時一天中消耗的平均電量。
  3. 尖峰負載：超過基本負載和平均負載需求的每日電力需求量。

雖然負載模式（吸收的功率）全天變化很大，甚至表現出明顯的季節性變化，但基本負載是必須全天候滿足的那部分需求。

歷史上，由於基荷電力的恆定性，它是由基荷電廠滿足的。這些電廠過去是（現在在許多情況下仍然是）大型設施，通常是燃煤電廠和核電廠，其發電量無法快速增加或減少。由於建造此類電廠的固定成本非常高，因此以接近最大功率的恆定生產水平運行它們在經濟上更為有利，從而最大限度地降低平均運營成本。

傳統上可以提供連續基荷的發電廠的例子包括：

  • 燃煤發電廠。
  • 核電廠.核電廠通常以接近最大功率（在美國，容量係數超過90%）的方式持續運行，以實現投資回報最大化，同時也因為快速功率變化的運行限制。核電廠可能需要數小時甚至數天才能改變其功率輸出。然而，更現代的設計可以作為負載追蹤器運行。
  • 聯合循環發電廠（燃氣） 。
  • 水力發電站。
  • 地熱發電廠。
  • 沼氣和生物質。
  • 帶有儲存功能的太陽能熱能。

超過基荷的可變需求由可調度發電廠、負載追蹤發電廠和調峰電廠來滿足，這些電廠的發電量可根據用電波動快速增加或減少。可調度發電廠是一種可以根據需求的增加或減少而快速啟動或停止的電力來源。例如，天然氣發電廠的固定成本低，但邊際成本高，通常用作調峰電廠，儘管現代聯合循環燃氣渦輪機的效率很高。

  1. 網路穩定性的重要性以及故障的後果

基荷的重要性在於它能夠確保穩定可靠的電力水平。這對於電網穩定和供電安全至關重要。

固定和可調度電力的作用

為了使電力系統最佳運行，電力供應必須持續平衡需求。穩定電力是指不受天氣條件影響、按需供應的發電能力。歷史上，由核能和煤炭等固定、可調度的能源提供的基荷電力，確保了這種最低限度的穩定性。

芬蘭、挪威和瑞典能源部長強調，擁有充足的可調度基荷電力對於電力系統的正常運作至關重要。此外，非化石燃料、可程式電力對於降低整體系統成本至關重要。

本班太陽能園區。太陽能邊際成本低，但連續性差。

停電風險和間歇性的影響

可靠電源基載供應的缺乏或不足會使電網面臨不可接受的風險和潛在的大規模故障。

美國能源部（DOE）發布了令人擔憂的電網安全性和可靠性報告。能源部警告稱，如果美國繼續關閉可靠的電源，並且不增加固定容量，到2030年，停電次數可能會增加100倍。

這種風險狀況源自於電力供需缺口不斷擴大，而兩個主要因素加劇了這一情況：

  1. 快速成長的需求：受再工業化、電動車（EV）普及率不斷提高以及最重要的由人工智慧（AI）和雲端運算驅動的資料中心爆炸式增長的推動，電力需求正以創紀錄的速度增長。
  2. 可靠發電廠退役：預計2030年，約有104吉瓦的固定發電裝置容量（主要為煤炭和天然氣）將退役，而新增固定基荷發電裝置容量僅22吉瓦。新增裝置容量大多來自間歇性能源（風能和太陽能），這些能源無法提供與傳統基荷電廠相同的可靠性優勢。

美國能源部模型預測，如果不及時替換固定容量，到2030年，每年的停電時間可能會從目前的個位數增加到每年超過800小時。如此大規模的成長將使數百萬家庭和企業面臨風險，並威脅到國家的能源安全。在某些地區，極端情況下，每小時負荷損失可能高達43%。

傳統核能是最穩定的「基荷」供應商之一

技術細節：慣性和 Dunkelflaute

兩個具體的技術細節凸顯了穩定基礎供應的必要性：慣性和Dunkelflaute 。

  1. 慣性：慣性是指電力系統對頻率快速變化的抵抗力，對系統穩定性至關重要。儘管有人認為，由於電網靈活性的提高，慣性已不再必要，但實際上，這種穩定性仍然依賴基於慣性的系統，例如剩餘能源發電（例如天然氣）、水力發電和抽水蓄能。大型傳統發電廠的突發故障歷來需要大量的緊急儲備。如今，對慣性的需求，尤其是在故障或間歇性停電的情況下，更加凸顯了對能夠全天候提供慣性的大規模、長時儲能解決方案的需求。
  2. Dunkelflaute：這個德語術語（暗淡平靜）指的是一段時期，有時長達兩週，並延伸至整個歐洲大陸。在此期間，由於平靜而黑暗的天氣條件，可再生能源（風能和太陽能）的發電量極低。只有依靠基荷發電能力或足夠可擴展且持久的儲能係統，才能確保系統在這些關鍵階段的彈性。 2024年，德國發生的暗淡平靜事件導致風能和太陽能發電中斷，導致價格波動加劇，這表明電網必須應對間歇性問題，並強調了備用發電的重要性。

簡而言之，固定基載發電至關重要，因為它可以確保間歇性電力缺失時的可靠性，防止電網彈性因缺乏電力分配而變得無用。

  1. 如何確保基載安全：歷史、當前和未來的解決方案

為了確保基荷電力供應，必須實施兼顧可靠性、成本和永續性的能源結構。歷史上，恆定功率發電廠曾是主要的解決方案，但技術進步和氣候目標的製定拓寬了這個方案。

傳統方法：不變的發電廠

大型煤炭和核電廠雖然無法快速改變其產量，但由於其邊際成本較低（在高昂的初始固定成本之後），因此非常適合恆定基載運作。

然而，這些發電廠也有缺點：

  • 需要緊急儲備：需要大量儲備以防突然故障。
  • 啟動/關閉問題：核電廠和燃煤電廠可能需要幾天才能啟動和關閉。
  • 脆弱性：所有電廠都可能因故障而停電，水力發電廠可能因乾旱而停電，煤炭供應凍結而停電，天然氣管道洩漏而停電。

現代化：整合和調度

基本負載不僅可以透過不穩定發電廠來滿足，還可以透過適量的間歇性能源和可調度發電來滿足。

  1. 可變再生能源 (VRE) 和低邊際成本：風力渦輪機和太陽能的邊際成本非常低，可以與煤炭或核能競爭，提供更低的價格，並在條件有利時提供部分基荷。挑戰在於這些能源的間歇性。需要熱能、金屬或化學儲能來克服這個問題，否則會給電網帶來壓力。
  2. 靈活可調度發電：可調度發電可根據需求啟動或停用，包括：
  • 天然氣發電廠：現代化聯合循環燃氣渦輪機熱效率高（約65%）。天然氣是最清潔的化石燃料，每兆瓦時產生的二氧化碳最少，並且可以快速提升發電量以應對尖峰負載。燃氣渦輪機（調峰電廠）只需幾分鐘即可啟動，而聯合循環電廠的蒸汽渦輪機部分則需要更長時間才能達到發電量峰值。
  • 水力發電和地熱發電：這些是非間歇性能源，可以全天 24 小時提供可調度的電力。
  • 先進核電廠：大多數現代核電廠的設計都注重靈活性和負載追蹤。目前正在研究開發容量更大的小型模組化反應器 ( SMR )，以便靈活地增減功率輸出，從而更好地與可變可再生能源 (VRE) 電源整合。
  1. 能源儲存：關鍵伴侶能源儲存對於彌合間歇性供應和持續需求之間的差距至關重要。
  • 抽水蓄能：這是全球主要的蓄能形式，佔全球電網195,000兆瓦裝置容量的94%。它利用低成本能源（通常在夜間）將水從下游水庫抽到上游水庫，然後在電力高峰期（通常是白天）通過渦輪機釋放。
  • 電網規模電池儲能係統 (BESS)：電池儲能係統佔全球儲能容量的 2%，被認為是「能源新前沿」。電網規模電池儲能係統 (BESS) 有助於緩衝供需的突然變化，促進火力發電廠的擴張，並維持低邊際價格。
  • 長期要求：為了確保基載，特別是在黑暗時期，儲存必須具有足夠的規模和持續時間（最多兩週的大陸最低發電量）。
  1. 互聯互通和電網發展：區域或國家之間的互聯互通允許進行能源交換，使用電網作為一種隱性儲存形式（例如，德國與擁有豐富抽水蓄能的挪威進行互聯）。

不同功率等級的沙能儲存系統尺寸

  1. 關於基載電力和經濟模型未來的爭論

雖然對可靠和充足電力的需求沒有爭議，但這些電力是否應該完全由基載發電廠（傳統定義）提供仍有爭議。

對基載概念的挑戰

一些專家認為，基荷概念注定會被「超越」。隨著能源儲存技術（尤其是電池技術）的進步，建造昂貴的專用基荷發電廠的需求正在逐漸消失。

德國研究人員（acatech）的研究挑戰了「基荷電廠對於持續電力供應至關重要」的普遍觀念。他們證明，以風能和太陽能為主的電力系統可以透過不包含傳統基荷電廠的替代策略提供可靠的低碳電力，而是：

  • 太陽能和風能與儲能結合。
  • 更聰明或靈活地使用電力。
  • 僅在需要時運作的剩餘發電廠（例如氫燃料燃氣渦輪發電廠）。

根據這種觀點，基荷電廠由於建設成本高昂，且需要幾乎不間斷運作才能維持經濟可行性，因此只有能夠降低總成本，才能在未來的電力系統中佔有一席之地，而這被認為不太可能實現。問題在於，試驗非基荷電廠存在危險且成本極其高昂的風險，正如最近西班牙發生的停電事故所顯示的那樣。

經濟考量和成本

經濟因素對於基載發電的決策至關重要。

  • 固定成本與邊際成本：核電廠和燃煤電廠的初始固定成本很高，而邊際成本較低。尖峰速度電廠（例如天然氣電廠）的固定成本較低，但邊際成本較高。
  • 再生能源的成本：風能、太陽能和水力發電的邊際成本非常低（「燃料」免費），儘管它們的安裝和維護成本高昂。此外，它們還存在儲能成本的問題。
  • 補貼與市場扭曲：儘管市場宣傳鼓吹，但鼓勵基礎設施投資仍需特殊金融工具（例如差價合約、容量市場），這表明單靠市場價格可能無法反映真正的長期容量需求。在德國，為防止現有發電廠因獲利能力不足而關閉，價格被設定了上限和下限。此舉雖然意圖防止停電，但卻阻礙了大規模、長時儲能的發展。
  • 系統總成本：為了利用間歇性再生能源滿足基荷需求，考慮負載係數及儲能效率，1吉瓦的基荷發電量需要安裝約3吉瓦的離岸風電及儲能係統，或6至10吉瓦的太陽能及儲能係統。投資大規模、長時儲能係統通常被認為是比建造一個龐大的電網來平衡整個大陸的供需更具成本效益的解決方案。

地理背景

考慮地理因素至關重要。歷史上，這個問題主要透過檢視美國電力系統來探討。然而，義大利和歐洲電力系統的情況卻截然不同。例如，儘管綠色能源滲透率很高，但德國電網的可靠性依賴於互聯互通和冗餘，抵消了綠色能源的負面影響。然而，韌性的代價可能很高，正如德國本身所證明的那樣，它不得不重啟高污染的褐煤發電廠，並從其他國家進口電力和液化天然氣。

總而言之，確保基荷（或固定可調度容量）對於防止電網崩潰至關重要，尤其是在電氣化程度不斷提高以及對人工智慧等高要求技術需求日益增長的背景下。儘管提供這種容量的方式正在從完全依賴固定發電廠（核能/煤炭）發展到可變可再生能源、儲能和靈活發電（例如天然氣或氫氣）的混合系統，但對充足、可靠和可編程能源的基本需求仍然是能源安全的基石。

文章《Baseload，或當今網路的最大問題》來自Scenari Economici 。

這是在 Mon, 27 Oct 2025 11:08:38 +0000 在 https://scenarieconomici.it/il-carico-di-base-baseload-ovvero-il-maggior-problema-delle-reti-odierne/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。