能源管理系統推動純電車的滲透率

2020年04月06日
專欄作家/陳世芳
交通大學電子工程系學士與科技管理研究所碩士,目前為麥斯管理顧問公司創辦人、天使投資人,以及佑勝光電(uSenlight)董事。
擁有多年的創業投資經驗,並且擔任過多家公司的董監事,擅長產業前瞻預測分析、企業發展、新事業與新產品開發、募資等。

 

純電車在2019年熱賣已經成為事實,可以預期2020年Volkswagen集團加入戰場,以及Tesla上海工廠進入生產高峰之後,熱度只會增加,不會減少。最近,日經新聞英文版拆解Tesla 名為「Hardware 3」的「整合型中央控制系統」硬體發現,Tesla的技術足足領先競爭對手6年之久。傳統汽車製造商認為應該大量使用電子控制IC(Electronic Control Units, ECU),而Tesla認為應該中央控制,個別負責(1)自動駕駛;(2)車內娛樂系統,且大量使用人工智慧技術,放進IC裡面加速執行效率。設計上的理念不同,造就了各車廠純電車的效能不同,這讓我想起電腦產業,曾經出現的大型主機(Main Frame)與個人電腦(PC)之戰,但到了最後,卻是5G行動網路把手機連結在一起,且背後有超級大型資料中心做支持,同時兼具Main Frame與PC的優點,變成一個混合的架構。我們的世界是彩色的,從來就不是只有黑與白,1677萬色的True Color,才是真實世界的面貌,希望各位讀者不要陷入二分法,而是用彩色的角度來看待產業發展。
 
2019年11月26日我有幸獲得行政院能源與減碳辦公室的邀請,和台電公司總經理同台演講,鍾炳利總經理說明「台電公司智慧電網之推動與應用」,而我則是發表「再生能源的電力品質與商業創新」,我們各別演講30分鐘之後,有一個小時的時間座談,與聽眾交流。我寫了76頁的簡報,很遺憾只能重點提示一下。各位如果回顧我在EVALUE的第一篇專欄文章,有特別提到,Maxwell Industry Foresight Framework當中有一個互補性因子,我今天要講述的能源管理系統(Energy Management System, EMS)就是純電車發展的互補性因子之一。在我的定義裡面,智慧綠色大樓的標準配備之一就是EMS,因為它可以智慧調節充電系統、大樓備援電力系統、屋頂太陽光電系統之間的衝突與合作。讓每個停車位配備50KW充電系統的理念,變成真實,且依然維持電網系統的穩定,諧波(THD)低於5%。
 
坊間謠傳純電車充電的時候,會造成電力品質下降,所以純電車不可行。這是一個似是而非的說法,如果真的不可行,汽車大廠與油氣公司就不會紛紛收購純電車相關產業,投入這個世界大戰了。人家是百年公司,人才濟濟,資金雄厚,大舉收購相關公司,肯定是想過的。電力品質的內涵有許多複雜的技術層面,我今天講簡單一點,以維持交流電網頻率穩定為例,這個責任,從發電端、電網端到用電端都有責任,且都需要安裝相關的設備,來維持頻率的穩定,如圖一所示。學技術的人都知道如何從技術與設備上來維持電力品質,即使每個停車位都安裝50KW充電器,電力品質依然很高。只是這些設備的投資成本,究竟是分攤在發電端、電網端還是用電端,大家的看法不同,各端的關係人都希望成本在別人家,所以才有這麼多爭執,基於多一事不如少一事的心態,最後就是不做事,我們的基礎建設也就停滯不前,遠遠輸給其他先進國家,例如挪威。如果每一棟智慧建築,內建儲能系統,把太陽光電儲存起來,提供純電車充電使用,儲能系統平滑化發電、充電的功率,提高電力品質,降低智慧大樓的契約容量,節省電力成本,這就會是一個對管委會(或業主)財務上有利的方案。時間電價的定價原則是電力的供需情況,供給大於需求,則電價下降。如果2025年,台灣真的有20GW的太陽光電,以後電價(現貨市場)最便宜的時候,就是中午時間太陽光電發電量最大的時候。這時候,EMS把便宜的太陽光電儲存起來,夜間6-9點,大家回家開始幫自己的純電車充電,成為用電尖峰的時候,再把儲能系統的電力給純電車主使用或給大樓用電使用,就可以節省整個大樓的電力支出,降低大家管理費的支出。我再提供一個角度,說明鋰電池儲能系統會非常便宜,時間就在2025年之後。目前,台灣的鋰電池儲能成本大概在每度電4元附近,2025年之後會逐漸往0.5~1元前進。全世界目前大概會投資新台幣3兆元在鋰電池的生產上,2025年全球鋰電池產能約在1,000GWh左右,其中約有30%不符合車規的21700電芯,也就是接近300GWh會投入儲能市場,自此之後,儲能級電芯價格便宜,帶動整個儲能系統的成本下降。這些電芯雖然達不到車規嚴格的要求,但是絕大部分符合儲能的規範,它們是便宜的全新的電芯。21700電芯昂貴的時候,梯次利用的價值很高,所以中國鐵塔公司成為梯次利用電池的最大買家,但是當21700儲能級新品很便宜的時候,電池就直接進入回收分解的公司,不再梯次利用了。

圖一:電力品質是所有利益關係人的事情,不是台電公司獨自承擔的事情
 
純電車主與管委會最擔心的,還是用電端的電力品質,我建議多瞭解能源管理系統才是正道。由於節能的需求,建築物使用越來越多的變頻設備,產生改變交流電網頻率的諧波(harmonic)或間諧波(inter-harmonic)。EMS可以控制太陽光電的microinverter,從而做到對大樓的諧波控制、頻率控制、虛功控制、實功控制(如果剛好發電的話)、電力流控制(Power Flow)。許多民眾誤解,夜間太陽光電系統不發電,設備就無用處,我要說這是一個錯誤的觀念。當你把EMS控制太陽光電系統之後,其逆變器就可以在夜間工作,穩定諧波、虛功、頻率、電力流,進而讓大樓的電力品質更好。所以我一直認為,智慧大樓應該把太陽光電系統與EMS列為標準配備,因為它可以24小時工作,穩定電力品質。
 
EMS有許多人給予許多不同的定義,本文不是考古學,我就不比較過去的文獻資料,直接從實務來切入。我認為一個完整的EMS系統應該包含幾個項目:(1)智能(AIoT);(2)儲能(鋰電池);(3)創能(太陽能);(4)節能(定頻改變頻);(5)通訊,如圖二所示。目前智能大樓最耗電的就是冷凍空調系統,未來可能是電動車充電系統,因此管控人流、車流變成很重要的關鍵。每個人都希望車子充飽電再上路,回家第一件事情可能就是幫愛車充電。停車場出入口的車流監測系統,可以預測智慧大樓可能的電力需求,提早準備儲能系統或台電的電力,或者是兩者混合使用。台電公司也因為掌握了這些資訊,長期電源開發有了更精準的預測,讓電力的供需更趨於平衡。智慧大樓未來需要回傳哪些數據,提供台電公司作為電源開發、電網開發預測之用,有待法規來制訂。期待我們的政府,前瞻未來,好好把這一塊資訊分享的工作做到位。目前每棟大樓都配置一些空間存放變電設備,可以預期未來這些空間會變得比較大,因為要放置更高功率的變電設備,以及更先進環保的儲能設備(取代柴油發電機),剛好我們的政策目前鼓勵都市更新,智慧建築的設計,將有別於傳統公寓大廈的設計。

圖二:能源管理系統平台(資料來源:億鴻系統科技)
目前住宅用電如果是透天厝以「低壓表燈用電」為主,如果是公寓大廈則是「低壓契約用電」。低壓表燈用電的每度電費比較貴,但是期初設置成本比較低,所以我們很少看到透天厝有機電設備房。低壓契約用電的期初設置成本比較高,裝置契約至少需要10KW,如果超過契約容量時會被處罰2-3倍的罰款,優點是每度電的電費比較低,適合社區管委會這種大型用電戶。新的智慧建築,除了每戶有自己的獨立電表之外,每個停車位也會有一個獨立電表,並且限定該車位擁有者(刷卡或刷手機)才可以用電。如果是一個400個停車位的社區,假設每個停車位配置50KW的充電器,Worst Case契約容量需要20MW。這當然是一個不切實際的規劃,因為台北101這麼大,其用電量也才6MW。EMS可以根據車流與人流動態調配用電,我們可以鼓勵純電車主採用經濟型(最省錢)的充電方案,在適當的時間替愛車充電,又能夠兼顧充飽電才出門的需求。我們也鼓勵車主,每天慢速充電,利用在家的8-10小時,把電力充滿,同時兼顧延長電池壽命的好處。如果EMS能夠協助管委會做好純電車充電管理,平滑化用電需求,降低契約容量,避免被罰錢,這樣的價值就很高。當少數車主必須使用50KW快速充電的時候,EMS可以即時警告與控制,限制充電功率,避免智慧建築超過契約容量而被罰錢。同時,低電價時儲備的電力,也可以拿出來使用,減少向電網端用電的需求。
 
5G行動通訊具備高頻寬(eMBB)、低延遲(URLLC)、大量物聯網裝置(mMTC)的特性,因此與EMS搭配成為一個完美的能源管理系統。這一切,最好在大樓設計的時候,就把in-building communication考慮進去,也把EMS考慮進去。EMS說穿了就是一台伺服器上面安裝EMS軟體,確實,並不困難。但如果智慧大樓裡面有超過三萬個物聯網裝置,一個一個連上EMS軟體,這就非常困難了(因為很花時間,且必須精通通訊系統)。也因為如此,如果有一個精通5G行動通訊與EMS的系統整合商(SI),來進行設計與施工,就可以確保品質萬無一失。在地下停車場安裝Distributed Antenna System(DAS),改變地下室手機收訊不好的困擾,同時也增加了安裝各種感測器、智慧電表….等物聯網裝置的方便性。Tesla的OTA更新需要1-2小時,最好的更新時間就是晚上回家睡覺的時候,如果地下停車場配置24-28GHs的small cell,就可以高速下載,及時更新,一覺起來,開著已經OTA更新好的Tesla去上班,這就非常方便了。
 
都市更新、純電車趨勢、EMS、5G行動通訊如果通通合起來思考,我們會看到一個彩色的未來。營建法規基於安全考量,過去變動的速度非常緩慢,但如今科技進步快速,我認為營建法規未來會常常變化。期待政府時常舉辦座談會、公聽會,廣邀相關業者集思廣益,加速營建法規的修正。有了營建法規的鼓勵,又兼顧電力品質,純電車的發展就會更快速,我們的生活品質也會更好。