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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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全球節能減碳新風潮 智慧電表讓你聰明用電

文/魏茂國 攝/鄒福生

在能源短缺、價格上漲的同時,
節能減碳成為政府施政與產業發展的重大目標,
而在智慧電表的帶領及刺激下,
不只能建構智慧電網、提高能源使用效率,更能結合科技與產業,
進行多面向的產業開發,實現未來的智慧化生活模式。

有了明確的數據與分析,了解耗電量的變化與用電效率,才能到達到主動節電效果。
有了明確的數據與分析,了解耗電量的變化與用電效率,才能到達到主動節電效果。

雖 然是家家戶戶都有的必備量測裝置,但相信一般人很少會特別關注它;事實上,即使是睜大眼睛、緊盯著它看,也很難看出個所以然。或許讓人感到和「電表」最密切的時候,只是在接到電費帳單時,了解用電量與計費的依據來源。

電,是每個人都需要的關鍵能源,接上插頭、打開開關,就能讓電器設備運轉,享受各種不同的便利與好處;因此也就需要電表,做為供電、計費的工具。在綠色能源與節能減碳概念當道時,電力的使用也愈受關切。以台灣為例,以往每到夏日用電高峰,就會出現電力高負載或缺電、跳電等情形,這也是近年來電力公司倡導鼓勵節約用電的主因之一。

但是,想要更有效地管控及使用電力,落實節能減碳,除了利用近來大家耳熟能詳的再生能源外,建構智慧型的電網,以及完整穩定的電力能源系統,就成為所有國家及產業最重要的政策及目標。而廣設智慧電表(Smart Meter),構架先進電表系統(Advanced Metering Infrastructure,AMI),正是提高電能使用效率、實現智慧電網(Smart Grid)的第一步。

全球興起,改變用電行為

美國歐巴馬政府在振興經濟方案中,規劃兩年內將投入110億美元,建置智慧電網及先進電表系統;加州更預計至2012年時,全州都將裝設智慧電表。英國也計畫在2020年之前,為全國2,600萬戶安裝智慧電表。全面使用智慧電表已納入德國政府氣候保護要點之一,並規定自2010年起,新建及翻修的建築物皆須加裝智慧電表。義大利更早已投入21億歐元,完成3,100萬個智慧電表的換裝。

從各主要先進國家的做法,不難感受到智慧電表受到重視的程度。台灣在今(2009)年的全國能源會議上,也確立了邁向「低碳家園」的共識,其中建設「智慧型電網及電表」即是具體施政項目之一;後續還通過了「綠色能源產業旭升方案」,推動「能源光電雙雄」(太陽光電與LED照明)與「能源風火輪」(風力發電、生質燃料、氫能與燃料電池、能源資通訊、電動車輛)等綠色能源產業,並預估可在2015年前創造超過兆元的年產值。

工研院副院長曲新生表示,這些能源產業的發展,背後都需要科技來支撐,才能達成高效率的目的,像是汰換發電機組、提升老舊電廠的發電效率。但在節能減碳與能源供應安全的需求下,智慧電表與傳統電表有何不同、具有什麼樣的創新功能,同時又可解決哪些能源問題,為產業社會帶來什麼效益,是大家都相當關切的議題。

若從技術面來看,簡單地說,智慧電表只不過是電子電表再加上雙向通訊功能,但是所能影響的重點,在於大幅改變目前用電的環境與行為。曾看過傳統機械式電表的人都知道,大概只能看到不停轉動的圓盤與不斷累積的數字,可是對於電的「實際使用狀況」,卻是毫無所知。特別是用電具有即時性,不知道耗電情況、用了多少電、效率如何,就更不用談要如何省電了。

曲新生表示架設置會電表就像是蓋高速公路電力公司只用了一部份的道路其他資產就能能創造商機
曲新生表示架設置會電表就像是蓋高速公路電力公司只用了一部份的道路其他資產就能能創造商機

「智慧電表可以提高民眾的自覺與意識,了解家中各種電器的用電耗能情形,並進一步調節用電量或省電。」工研院能環所電控與感測技術組組長何無忌表示,透過智慧電表的通訊功能,可將用電情況即時(real time)傳送出去;對於使用端,就能藉由具有螢幕的顯示裝置,了解耗電量的變化與用電的效率,有了明確的數據與分析,就能提醒自己調整電器使用時間,或是思考改用更省電的電器,如變頻家電、LED照明等,進而達到「主動」節電的效果。

若將具通訊功能的電表(智慧電表)安裝在各個電器的電力連結上,或是直接裝設在插座裡,還能清楚地獲知該項電器的用電狀況。何無忌以自己的經驗為例,在熱水瓶與插座之間裝上簡易型智慧電表後,發現一年下來的用電就要約七百多元,已經接近一般市面上價格較低的熱水瓶;如果在下班後至隔日上班時將電源關掉,就可以省下多達75%的電,提供用電資訊的影響力可見一斑,更不用說冷氣、冰箱等高耗電的電器了。

即時數據傳輸,健全電網運作

至於在供電端,當電力公司能夠掌握用戶的即時用電數據時,就能進行供電、配電方面的管控。例如當用電負載提高時,就能適時調度預備發電設備來因應,減少斷電意外發生;當然也能對用電戶發出警訊,限制用電、降低負載;平時也能提出時間電價或約定用電量等方案,讓用電負載更為平均穩定,相對也能減少備載發電設備的成本和電廠的需求,長期下來並能成為預測電力、調整電價等依據。

以台灣現今的電表記錄作業方式,為每兩個月才派人實地抄表一次,自是無法滿足即時獲得電力資訊與調度預測的需要。但如以智慧電表取代人工抄表,就能避免資訊落後的情況,可每15分鐘記錄一次,進而使發電、輸電、配電變得更穩定有效,還能省去抄表與檢查電表的人工作業成本。以義大利為例,先進電表系統每年節省的費用就高達5億歐元。

何無忌指出,國內利用人工檢查電表是否損壞的成功率,也僅約5%;如果裝有智慧電表,透過數據或訊號就能知道電表是否異常,並立即進行維修處理。而智慧電表的另一大優點,則是可以解決竊電的問題,估計若台電公司每遭竊電1%,就相當於新台幣44億元的損失;但有時竊電行為防不勝防,若能透過用電數據來進行分析並加以監控,自然就能降低電力被偷的情形。

同時由於電力的特性,為平衡離尖峰時間的電力負載,像在家庭使用端就能於供應較充足時儲存電力,待用電尖峰或不足時使用,也是一種調配的方式。如果放大到工業區裡,當各廠商都裝有智慧電表,就能進一步形成小型的智慧電網,即時進行區域的電力管控;理想上,若智慧電網能佈建至全世界,甚至還可互通有無、調配供需,不需要進行儲電。

曲新生還說,以目前的火力電廠發電效率,約為每10個單位的能源,只能產生4個單位的電,同時再經過輸電、配電等程序,以及馬達運轉、電器效率等因素的浪費,到最後實際用於做工的電,只剩下約20%。換句話說,假使能在使用端提高1%的效率,就相當於在供應端提高5倍的發電效率;效率的槓桿作用,對於節能減碳將有很大的幫助,也是亟需建構智慧電網的原因。

分散式能源,開發軟硬體技術

過去的集中式能源系統,由大型發電廠負責發電配送,整個電網架構較為簡單。但在分散式能源系統崛起的今日,可以看到建築屋頂上裝設太陽光電,還能將電賣給電力公司;油電混合車與電動車輛,都趨向電能的使用;甚至還有燃料電池的積極發展等。這種種現象使得電力的生產與使用型式愈來愈分散,不僅讓智慧電表的需求迫在眉睫,連結各類技術與產業,延伸為智慧電網也勢在必行。

「預估未來三十年,大型發電廠不會完全消除,再生能源則會逐步增加。」在能源需求與價格持續上升的同時,大家都在尋找更有效率與潔淨的發電方式,曲新生更指出,節能減碳不只是全球的趨勢,還會影響國家競爭力。面對能源危機,國際能源總署(International Energy Agency;IEA)於2008年曾提出「能源科技未來展望」,以2050年減少480億噸二氧化碳為目標的關鍵技術中,「能源使用端效率」占47%,為最大部分,再生能源則占了21%。

顯然地,智慧電表就是促使能源使用端效率提升的重要設備,例如有了用電資訊,就有機會淘汰效率品質不佳的電器。何無忌表示,工研院對於智慧電表的研發,是集合院內所具有的相關技術,進行最完整、最多功能整合的設計,導入量產時再視實際需要進行簡化,讓生產廠商更具彈性;特別是因應台灣都會區多高樓與舊有建築電力線老化的環境,已同時將無線通訊模組(Zigbee)與電力線載波(Power Line Carrier;PLC)兩項技術置入,解決資料傳輸的問題。

因此,只要透過電腦、電視、手機、數位相框等裝置,使用者就能接收並觀看即時的電力資訊,甚至可以經由介面的開發,直接或遠端操控電器上的各項功能,如開關機、溫度設定等,宛如是數位家庭的一部分。「要能真正導入、走入家庭,價格低、使用方便很重要;」何無忌說,「推廣智慧電表,對家庭耗能將會有很大的改變。」

另一方面,工研院所研發的智慧電表,還需適應台灣熱、濕的戶外環境,若能通過考驗,相信在其他地區使用也不會有太大問題,增加廠商外銷的可能。此外,以智慧電表為核心,還能結合防災系統、電池、高效率馬達與LED照明、冷凍空調、智慧家電等技術與應用,開發更多滿足未來生活需求的功能與設備。

智慧電表
智慧電表

連結多元產業,創新整合應用

從工研院的研發方向,就不難看出國內產業的發展機會,光是從智慧電表本身,就可以視為電業與資通訊業的整合,而資通訊又是台灣的優勢產業。當智慧電表能獲取用電資訊,後續的資訊處理、分析與應用,就是個相當廣大的市場。

以目前台灣電業為獨占事業的狀況,當電力公司廣佈附有通訊功能的智慧電表時,也等於是透過電力線建構了最普及完備、最深入家戶的通訊網路。重要的是,電力資訊的傳輸,只占了電力線網路的一小部分頻寬,其餘多數的能量就能夠移為他用,像是一般通訊、網際網路、家庭加值或數位服務、節能服務等,因此是許多業者亟欲切入家庭的媒介。對電力公司而言,無論是自行開發投入或是出租給相關業者使用,都能創造不小的收益,也可彌補裝設智慧電表的成本。

曲新生表示,架設智慧電表就像是蓋高速公路,電力公司只用了一部分的道路,其他的「資產」就能創造商機。工研院並花了半年的時間,以此智慧電網加上碳稅、時間電價等措施後的營運模式,證明電力公司約十年就可回收,用電戶也不需要出錢裝設電表。若將網路的範圍擴大,結合電網與通訊網、交通網、安全網的「四網合一」,還能打造更具智慧化的生活環境。

以實際應用面來看,工研院所發展的「全溫層物流」技術,就是用分散式的智慧電網概念,將高效輕薄的蓄冷材與隔熱材製成儲冷裝置後,利用晚間離峰時段用電保冷,可在不同溫度下保持16個小時,能提高產品品質並方便配送。相較於目前以冷凍車運輸及馬達帶動冷氣的低效率方式,還可能因路況不同與貨門開關造成溫度不穩定,「全溫層物流」無需特殊設備的車輛,更可節約能源、減少污染,是智慧化的物流與節能電網結合的範例。

新興都會的運輸交通與電網併聯運作也是一例。由於人口集中,發展中的都會區不能僅以汽車做為主要交通工具,以台灣來說,應是在城際間以高速鐵路、都會區內以捷運系統、短程距離以電動車或輕型車等大眾運輸工具為主,這些都需要更智慧的電網來供配電力,比如電動車就能運用離峰時間充電。這樣的運輸模式,不但是未來新興都會的風貌,也將有機會在成為低碳都市的過程中,建立各種產業發展,如電動車的馬達、電池,或是營運服務等。

以科技為工具,有效節能減碳

能源一直是台灣經濟與社會發展的重要議題。我國二氧化碳總排放量在過去十多年以來皆為成長態勢,2007年已達近2.69億公噸,約占全球總排放量的1%,為全球排名第21;另一方面,我國仰賴進口能源比例高達99%,顯見發展再生能源、減少碳排放的重要性。

在2008年由行政院通過的「永續能源政策綱領」中,即以兼顧能源安全、經濟發展、環境保護為目標,並規劃全國二氧化碳於2016年至2020年間回到2008年之排放量,並於2025年回到2000年之排放量;同時在發電系統中,低碳能源(核能、天然氣、水力、風力等)的占比,由40%增加至2025年的55%以上。

曲新生表示,節能減碳是件辛苦且具挑戰的工作,除了要有長期且穩定的政策及環境,以及恰當有效的科技為工具外,更要徹底落實;而要能夠落實,就需要靠產業界的力量。以現況來說,台灣的再生能源發展較為緩慢,產品也多為出口,但使用端的效率提升,台灣卻擁有不少優勢;例如利用台灣LED的技術與產量,將未來的照明改成高效率照明,就是將節能減碳的科技變成產業落實的方法。

尤其是過去所發展的大型集中式發電設施,其關鍵技術多掌握在少數國外業者手中,台灣業者的發揮空間有限;而當走向分散式能源系統時,更需要輕薄短小的發電來源,如太陽光電、風力等,這時台灣就有機會成為能源科技,甚或是能源的輸出國。

「除了法令外,智慧電網是真正能否大量推廣再生能源的關鍵。」曲新生強調,在發展再生能源的過程中,台灣也要儘可能地大量安裝,不僅能解決台灣的能源問題,同時也能建構台灣的能源產業。提高能源使用效率方面也是如此,當發展出高效率的關鍵零組件後,也能兼具外銷與提升本地能源使用效率的作用。

實現智慧電網,邁向永續發展

何無忌也說,台灣應善用現有的資通訊技術,目前工研院正積極整合晶片、電表、通訊、電業等廠商,共同制定出台灣需要的智慧電表型式,並訂定短、中、長期的計畫,提出實際可行的方案與夠便宜、可量產使用的智慧電表,促使智慧電網的形成、掌握先機。同時在佈建的方式上,也可從較易導入、用電量多的高壓(工業)用戶開始,再來則是商業用戶及都市化地區,掌握大型、集中的區域,以快速顯現效益。

除了研發智慧電表與相關技術,並整合政府與產業資源外,工研院也自2005年起接受經濟部能源局委託成立「節能服務團」,至國內企業實地協助推動各項節能計畫。曲新生指出,國內許多企業都需要整體性的節能服務,甚至包括位在對岸的台商,電力自是其中的重要一環;因此透過這類的能源技術服務公司(Energy Service Company;ESCO)型態,不只有助於智慧電網的實現,未來也有機會形成「節能服務產業」。

「未來的公共建設應以永續發展為最大目標,智慧電網就是永續發展的一部分。」曲新生表示,工研院在推廣低碳家園與低碳社會時,扮演著發展智慧科技、提出可行方案、並協助建立新產業的角色。當智慧電表與智慧電網逐漸佈滿在我們的身邊時,也代表著我們正邁向更智慧環保的綠色生活。

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