讓每一度電都有智慧
讓每一度電都有智慧
正如我們在之前的文章中提到的，AI的快速發展帶來了電力需求的急劇上升。 這種需求的增加凸顯了我們迫切需要更加高效和可持續的解決方案，來滿足未來的用電需求。 在上周的文章中，我們提到了能源存儲技術，它能將多餘的能源儲存起來，以便日後使用。 另一種備受關注的解決方案是智慧電網，它利用先進的通信和自動化技術，提高電力的管理與分配效率。 通過更好地整合可再生能源，智慧電網能夠優化電力流動，顯著提高電網整體的效率。
什麼是智慧電網？
傳統的電網通常是單向運行的，能源由發電廠產生，通過電網輸送給使用者。 這個過程大多是被動的，缺乏了對能源使用和需求的實時監控。 而智慧電網則是對這一傳統模式的改進。 智慧電網採用了雙向流動的運作機制，結合了發電企業、電網管理機構以及終端使用者的供需特點與功能，以此提升整個電力系統的運作效能。 智慧電網不僅能降低成本和減少環境影響，還能大大提升電力系統的可靠性、彈性和穩定性。 美國目前已經安裝了近10,000個發電單元，覆蓋超過30萬英里的傳輸線路，能夠產生超過一百萬兆瓦的電力。 智慧電網的影響不僅限於此，消費者能夠實時監控和管理自己的能源消耗，從而推動了能源使用的智慧化和個人化。
智慧電網是一系列不斷發展的技術，在全球不同地區以不同的速度進行部署。 電力系統的智慧化是一個漸進的過程，而非一次達成的事情。 下圖展示了智慧電網的發展歷程。
美國國家能源技術實驗室（NETL）將智慧電網系統的變革歷程劃分為五個核心類別，這些類別協同作用，促進了傳統電力網路向智慧電網的演進：
- 集成通信：通過寬頻及無線連接，實現了設備與用戶間資訊的流暢交換與對接。
- 先進電網元件：智慧化的設備與儲能解決方案共同提高了電網的綜合性能表現。
- 先進控制手段：自動化技術的應用加強了配電管理的效能及對故障的偵測能力。
- 感測量技術：該類系統能夠即時傳遞電網元件至使用者端的資訊流，確保資訊即時性。
- 介面優化與決策支援：通過高效的數據整理與展示工具，為決策過程提供科學依據。
下圖揭示了智慧電網的運作機制以及其各個組成部分之間的關係。
智慧電網包括硬體和軟體系統組成。
清潔能源與智慧電網
全球電力產業正逐步向清潔能源生產的方向邁進，眾多煤炭發電廠已相繼關停。 可再生能源在應對持續增長的能源需求方面至關重要，截至2022年，全球可再生能源的裝機容量已超過3,371GW。 作為解決清潔能源整合複雜性的關鍵技術，智慧電網的需求預計將隨著可再生能源應用的日益廣泛而持續增長。
鑒於太陽能和風能等可再生能源具有間歇性特徵，能源生產可能面臨波動，進而導致電力供應的不穩定性。 在此情形下，能源存儲系統可在波動期間供應額外電力，以保障電網的穩定運作。 然而，大型儲能設施往往集中於水資源充沛的區域，這在一定程度上限制了其廣泛的應用範圍及操作的靈活性。
針對上述問題，智慧電網通過提升運營效率、實施實時監控以及數據分析等手段，顯著增強了電力供應的綜合能力，實現了不同地域能源資源的高效整合。 此外，在電力需求高峰期或供應短缺之際，智慧電網能夠迅速調整負荷，優化資源分配，從而降低停電的發生率，確保電力供應的穩定性。 即便遭遇停電狀況，智慧電網亦能即時啟動自動化設備，有效應對並管理緊急事件。
在降低碳排放方面，智慧電網亦扮演著至關重要的角色，它促進了多種低碳能源技術的應用，涵蓋了電動汽車、可變可再生能源以及需求回應等策略。 依據國際能源署（IEA）的預測，至2050年，智慧電網有望每年減少0.7至2.1 GT的二氧化碳排放量。
智慧電網的發展
全球智慧電網市場預計經歷顯著的增長，市場規模將從2024年的大約740億美元增至2029年的約1610億美元，復合年增長率（CAGR）達到17%。 這一迅速擴張主要得益於以下幾個驅動因素：電網現代化項目的推進、可再生能源融合度的提升，以及對於增強電網韌性和自動化的不斷增長需求。 在智慧電網投資方面，北美、歐洲和亞太地區居於領先地位。
· 美國：在2022年，美國能源部公佈了一項高達110億美元的智慧電網升級計劃。
· 加拿大：2023年，加拿大能源創新計劃發佈了徵求建議書的通知，旨在支援智慧電網技術的創新與發展。
· 歐盟：歐洲委員會積極支援智慧電網的發展，預計到2030年，歐盟將需要大約5840億歐元（約合6330億美元）的投資。
· 中國：預計到2025年，中國對智慧電網的投資將以大約6%的年增長率增長，總投資額將達到1580億元人民幣（約合230億美元）。
· 中東和非洲：迪拜電力和水務局（DEWA）在其智慧電網專案上已投入70億阿聯酋迪拉姆（約合19億美元），該計劃旨在通過2021年啟動的價值驅動戰略，將迪拜打造成為全球最智慧的城市之一。
智慧電網的美國地区總投資呈現出持續上升的趨勢，從2014年的9.95億美元增長到2024年的220億美元。 在這期間，增長最為顯著的領域是“智慧電網相關運營IT”和“純智慧電網設備/系統”，這兩個領域的投資從2014年的2.7億美元增長到2024年的110億美元。 這一趨勢凸顯了在提升電網自動化能力和部署先進智慧電網技術方面的強烈關注。
網路安全
儘管智慧電網通過融合尖端的資訊與通訊技術（ICT）顯著提升了電力系統的可靠性與效能，但它們亦構成了一個複雜的基礎設施體系，涵蓋了關鍵性的設備與通訊網路。 此種複雜性帶來了新的安全隱患，從而提升了遭受網路攻擊的可能性。 研究指出，電力行業的監管框架可能使得智慧電網的安全防護工作更為複雜化，因為公用事業企業往往將遵循法規作為首要考量，而忽略了採取全面性的安全措施。 此外，消費者通常對智慧電網的利益和風險瞭解有限，一些系統缺乏足夠的安全功能，導致資訊共用機制和評估指標效果不佳。
智慧電網面臨的具體網路安全威脅包括惡意軟體傳播和拒絕服務攻擊。 例如，2015年，惡意軟體攻擊了烏克蘭的一座電力站，導致大範圍停電。2017年，俄羅斯駭客成功滲透了美國的電力基礎設施，企圖竊取敏感資訊並破壞控制系統。 這一事件突顯了網路威脅的重大風險，並促使美國及其他國家加強關鍵基礎設施的網路安全防禦。 美國能源部推出了能源交付系統網路安全（CEDS）計劃，以增強美國能源基礎設施的韌性和安全性，該計劃包括為智慧電網量身定製並實施先進的網路安全解決方案。
結論
隨著能源需求的迅速增長，迫切需要高效和可持續的解決方案。 智慧電網與能源儲存技術的結合，形成了一種強有力的解決之道，有助於構建更具韌性和效率的能源基礎設施。 此種一體化策略對於滿足未來能源需求、促進可持續凈零排放目標的實現，具有至關重要的意義。
