現代化生活的種種便利是建立在數量眾多,覆蓋面積廣大的電網之上的。 小到電燈泡,大到地鐵等公共交通設施,我們生活的方方面面都和電網息息相關。 然而,日新月異的科技革命並沒有給電網帶來什麼創新。 現有的電網基本上都存在設計老舊和基礎設施老化的問題。 這些電網都是集中式架構,由位於偏遠地區的大型發電廠供電,通過複雜的輸電和配電網路到達千家萬戶。 協調和發電的過程是以交流電的形式,複雜的輸電和配電網路是由地區系統運營商或者獨立系統運營商管理。 這些獨立系統運營商不僅需要即時平衡電力的生產和消費,還需要確保遠端生產的電力可以避開龐大的輸電和配電網路中的擁堵,進而成功送達客戶。 儘管我們目前所賴以生存的集中式電網是人類有史以來建造的最複雜的工程系統之一,但該系統已經過時,無法再滿足時代的需求。 集中式電網系統正面臨著安全性,可靠性,穩定性,價格高昂等諸多重大挑戰。
自2015年10月23日起,加利福尼亞州洛杉磯聖塔蘇珊娜山脈內,靠近波特牧場的艾莉索峽谷地下儲存設施發生大規模、不可控的持續天然氣洩露事故。 此處是全美第二大天然氣儲存設施,向遍佈南加州的各大電力公司供應天然氣。 因為該洩漏事故事態嚴重,2016年1月6日, 加州州長傑瑞•布朗頒布緊急狀態令。 艾莉索氣體洩漏事件對自然所造成的傷害比墨西哥灣深水地平線洩露事件還要大,影響還要深遠。 據估計,艾莉索峽谷氣體洩漏事件向地球大氣釋放了約5.3億噸有害甲烷氣體。 用更形象的方法來表達,這些氣體等於整個南加州南海岸空氣盆地地區約12,800年的總排放量。 南加州的電力公司實施了應急計劃,以便在天然氣短缺的情況下為當地的天然氣發電提供動力。 與此同時,當地居民出現頭痛,噁心,和嚴重的流鼻血等健康問題。 每天大約有50名兒童因嚴重流鼻血去看校醫。 截至2016年1月7日,2824戶家庭,大約11296人不得不暫時離開他們的家園遷居別處,而另有6500多戶家庭向政府尋求説明。 其他的集中式電網導致的災難包括切爾諾貝利核事故和福島第一核電站事故。 在切爾諾貝利核事故中,超過300,000名的居民被迫永久撤離家園。 被核輻射污染的雲層飄往眾多地區,據追蹤,北半球的每一個國家都發現了來自切爾諾貝利的放射性污染物。
以上的幾起事件表明,集中式的電網對其所服務的人群的環境,健康和安全造成越來越難以承受的影響。
2011年9月8日,亞利桑那州尤馬市的一個變電站缺乏適當的設備維護,導致了亞利桑那州到加利福尼亞州的一條高壓輸電線的故障,最終造成了聖地牙哥,亞利桑那州西部,墨西哥蒂華納等諸多地區的七百多萬居民無電可用。 這一重大事件再次暴露了集中式電網固有的易受影響的問題。 與艾莉索峽谷天然氣洩漏事件類似,集中式電網的單點故障對廣大地區的數百萬客戶造成不利影響。 自然或人為事故可能發生在任何易受影響的地點,複雜的中央電網覆蓋了廣大的面積和不同的地理環境,而其中的任何區域都可能受到影響。 因此,現有電網提供安全可靠的能源服務的能力越來越受到挑戰。
2018年1月28日,在澳大利亞人口第二多的墨爾本市,席捲而來的熱浪令到電網超負荷運作, 導致一萬多戶家庭遭受停電的困擾。 這次停電是由電網故障造而不是供電短缺造成的。 不到一年前,澳大利亞最大城市雪梨亦因為熱浪來襲而停電,五萬多戶家庭受到影響。 極端酷熱的天氣常常導致類似事件的發生,因為當住戶使用空調時,電力需求可能會突然升高。 同時,由於環境溫度升高,電網輸配電線和發電廠的輸電和發電量減少。 在可預見的未來,隨著全球氣候的變化,全球各地的城市將會更經常地遭受因為不利天氣而出現的電網故障事件。 從澳大利亞和加利福尼亞州的熱浪,到美國東北部的嚴寒,再到颶風卡特裡娜,桑迪,麗塔和瑪麗亞,我們反覆見證了由於電力系統無法適應氣候變化帶來的破壞而導致的大規模電網故障事件。
2016年4月14日,非盈利性可再生能源宣導組織Groundswell發佈的一項研究報告詳細闡述了美國工人階級所面臨的電費壓力日益沉重。 該研究報告稱,收入為最低的20%的人群中,他們將其收入的大約10%用於電力開支。 集中式電網成本高昂的原因主要有以下幾點:
(a)在輸電和配電過程中,所產生的總能源中有5%-9%, 會在運輸過程中損失。 如上所述,由於T&D電線和設備隨著溫度的升高阻力增加,在炎熱的天氣中,T&D損失被放大。
(b)交流形式的電力相對來說比較複雜,需要大量輔助服務以確保客戶地點的交付電力保持在要求的電力品質限制內。 輔助服務包括頻率調節,電壓調節和無功功率等。 不幸的是,基於交流電的集中式電網所需的輔助服務成本很高,通常佔總電費帳單的3%-7%。
(c)容量服務確保有足夠的發電能力在需求高峰期保持電網的可靠性。 因為當前電網缺乏實施協調客戶電力需求與系統可用電力供應的能力,容量服務或備用能源儲備是強制性的。 換句話說,由於缺乏對客戶現場電力需求的即時管理,集中式電網通過超量發電以備不時之需。 這些容量服務的成本也很高,可以占帳單總額的15%。 以上這些例子僅僅是集中式交流電網的設計缺陷中價格昂貴和低效率部分的一個縮影。
人類迫切需要一種新的能源生產和配送系統以應對自然災害,人口增長,氣候變化等因素帶來的挑戰,新的系統必須保證所有人都可以享受充沛且可持續的增長。
分散式可再生能源系統是指利用本地配置的可再生能源,如太陽能或風能,在本地進行發電以供本地用電所需。 當一個社區內的能源消費者彼此協調,交換能源並分享分散式可再生資源(如太陽能發電,電池儲能,能源管理系統等)所帶來的成本效益時,他們實際上創建了一個基於社區的可再生微電網。 分享成本效益使社區成員能夠獲得由在社區安裝的設備於當地生產的更經濟可靠的可再生能源。 這樣做可以最大限度地提高已安裝設備的利用率,從而大幅提高投資回報率(ROI)和其他收益。 這種去中心化的基於社區的可再生能源微電網在解決威脅我們生活的能源安全問題方面所具有的巨大潛力。
一個在客戶場所部署的智慧聯網電池能量儲存系統(BESS),以協調當地的電力供需。 BESS降低了對於昂貴的容量服務和輔助服務的需求。 此外,BESS還有助於將間歇性可再生能源發電變為可預測、可靠和可調度的可再生能源發電。 大量使用者側BESS的部署是使電力基礎能源設施更高效、可靠且更具適應性。
以客戶場所或者社區為基礎的可再生能源發電設施,例如配備智慧網路BESS的太陽能發電設施,可滿足幾乎所有的本地電力需求。 在本地進行可再生能源發電將顯著減少甚至完全消除對於集中式輸配電網遠端輸電的需求,同時避免將遠端生產的電力運輸到客戶現場造成的電能損耗。 分散式發電指的是在有電力需求的地方就地生產電能,這將消除集中式發電基礎設施固有的脆弱性和低效率,以提供更安全,穩固和價格合理的能源服務。
一個社區直流電源網路,通過減少重複的直流電-交流電-直流電轉換造成的損失和免去昂貴的交流電輔助服務,更高效地使用本地生產的可再生直流電力。 直流電無需頻率調節,無功功率等複雜和昂貴的支援服務。
POMCube所提議的本地直流電網包括協調社區電力供需的DCBus調度程式,可以個體使用者為單位即時優化當地的電力分配。 簡而言之,通過把本地直流電網、DCBus調度程式和智慧聯網BESS結合在一起, 將消除對於昂貴的輔助服務的需求,同時消除重複的交流電-直流電-交流電轉換造成的損失。
所有這些技術創新最終目的都在降低向消費者輸送電力的成本,提高所有人對於電費的承受能力、加速電力成為主要能源來源。
POMCube透過設計分散式能源架構的能力提供更可靠的能源服務,可以預測、承受,適應潛在破壞性事件並迅速從中恢復過來。 POMCube設計包括本地太陽能板陣列或風車及智慧網路BESS,用於在電網服務中斷和緊急事件期間保持當地電力服務的穩定性,靈活性和持續的能源供應。
BESS,無論是電錶後還是電錶前,都將在需要時為整個社區提供所需電力,以應付緊急事件,度過太陽能非生產時段,直到太陽或風可以重新再次為當地的可再生能源發電機組發電,並且為BESS充電。
這是解決電網各層級電力供需不匹配的直接途徑,克服了中心式電網架構固有的單點漏洞風險。
能源支出的降低通過以下幾個途徑：
(a)利用本地產生的直流電源為大型家用(直流)電器直接供電,確立電能使用效率的目標值,目的在降低整體能源使用和損耗。
(b)在本地用可再生能源發電,抵消全部 或大部分本地電力需求。
(c)平順峰值能源需求以最小化昂貴的需求容量費用。
(d)僅在低成本期間購買集中式電網所發電力，即在受限區域內的非高峰期或在發電量過剩的區域 。
(e)為集中式電網提供輔助服務以產生收入。 當今世界,不斷上升的電力價格為社區得到充足的電力服務造成越來越多的障礙，這也是分散式可再生能源將經濟節約作為基本特徵的原因之一。
POMCube的可再生能源發電系統和BESS減少或消除了對使用礦石燃料的備用發電機的依賴性,這些發電機在災難中通常無法使用,具有較高的安全風險，例如：火災,爆炸、氣體中毒等等,並且很可能只在有限的、當有天然氣/柴油可用的時間內有效。 分散式可再生能源將以獨立模式無限期地為公共安全設施提供無窮無盡的電力,電力由本地的可再生資源產生。
分散式可再生能源為解決礦石燃料能源對公眾健康和安全造成的不可接受的風險提供了解決方案。
基於社區的可再生能源微電網(CRM)為社區提供日常的清潔可再生電力。 CRM在災難和緊急事件期間保證提供能源和確保社區的安全,同時還可以為社區持續節約電費開支,使社區能夠將其預算用於重要的社會建設中去。 此外,CRM專案包括有針對性的建築節能改造,不僅可以節省能源和節省開支,而且可以通過安裝更節能的設備和調試系統,使現有的社區設施更加舒適和高效。
通過以下措施可實現顯著的溫室氣體減排:
(a)通過提升建築物的能效,降低能源消耗,從而減少溫室氣體排放。
(b)用可再生能源發電代替礦石燃料發電。
(c)將能量存儲和管理客戶能源需求相結合,通過負載轉移來平衡峰值需求,限制基於礦石燃料調峰發電設施的使用。 此功能可説明社區,尤其是處於不利地位的社區解決公眾健康和環境問題。
POMCube的分散式能源系統為社區不斷提升能源供應的安全性和容錯力,以應對任何潛在的氣候災害,其他自然或人為災難。
POMCube智慧網路BESS的社區分散式可再生能源發電系統擁有冗餘電力,可以在集中式電網服務中斷的緊急情況下持續為社區提供動力。
POMCube電力系統和區塊鏈架構包括先進的能源管理系統,本地可再生能源發電系統,智慧聯網BESS,電動汽車(EV)內置ECTP相容的充放電器,並向社區微網購電或是售電,以支援運輸電氣化。
憑藉EV和V2G技術的妥善利用,分散式可再生能源模式提高了公共安全與健康,增加可以彈性利用的電池容量,利用現有道路,順道搬運能源,並降低了運輸成本。
POMCube將在當地生產能源共本地社區使用,省下數額巨大的能源支出支持當地經濟發展。POMCube專案將直接支持當地的清潔能源就業,使用當地的人力資源進行規劃,設計,建造和運營。 因此,POMCube不僅確保能源供應與社區的安全,還幫助當地社區擴大就業,令社區可以更好地發展當地經濟。
正如上文"提高安全性"和"溫室氣體減排"部分所討論的,POMCube將最大限度地發揮提高目標能效,分散式可再生能源發電,儲能和其他分散式資源這幾點間的協同作用,以減少對通常在災難中不可用的化石燃料備用發電機的依賴,從而不用承擔礦石燃料備用發電機潛在的火災,爆炸和煤氣中毒的安全風險。
作者：Andy Li
校稿：Angus Tso
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