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小型太陽能發電將引起用電新革命
市電同價下之市場影響分析

【作者: 吳駿驊】   2017年06月08日 星期四

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隨著太陽能發電成本持續下降,部分國家已經通過太陽能與市電同價門檻,各界預期一旦太陽能成本低於這個關鍵點之後,將大量取代傳統石化燃料,成為發電能源的主要來源之一。



圖一 : 傳統電廠易受到地理環境與時間週期變化的影響。
圖一 : 傳統電廠易受到地理環境與時間週期變化的影響。

然而傳統電廠電力成本並非單一,太陽能電力也具有週期性與地理性差異之特性,因此在導入太陽能電力的過程中,除了大型地面電站大規模的安裝外,在經濟誘因主導下的小型分散式太陽能系統,將給電力市場帶來巨大及長遠的影響。


太陽能發電逐漸成便宜的能源來源

過去幾年太陽能發電成本持續下降,太陽能已成為便宜且乾淨的能源。至2015年,全球已有部分國家,如德國、義大利、西班牙及日本等國的太陽能光電成本早已低於傳統發電方式,通過「市電同價」門檻。


太陽能發電成本快速下降

過去20年太陽能模組製造成本持續下降,這種情況被歸納成為太陽能面板的價格學習曲線,而此一曲線也稱為Swanson定律,意即每當全球累積安裝量倍增,太陽能模組成本將下降約20%。這主要歸功於製造生產達到經濟規模,使成本快速下滑,以及技術進步,使發電轉換效率提升。在這樣的下降趨勢,至2015年為止,太陽能模組所占整體系統成本,約只剩三至五成左右。


而太陽能電廠成本,除了太陽能面板主體之外,還包含其他周邊設備以及融資成本,統稱BOS(Balance Of System)。因此在太陽能面板價格下滑、周邊設備成本下降、創新商業模降低融資成本等情況下,最終導致太陽能發電的均化成本(LCOE)下降。


根據美國能源資訊局資料,美國太陽能發電的均化成本,從2009年至2014年短短五年之內大跌超過78%,太陽能發電成本從平均每瓦約3.6塊下降至平均每瓦約0.8塊,若按照此成本下降趨勢預測,太陽能電力很快將成為全球最便宜的發電方式。


@中標:全球太陽能發電逐漸通過市電同價門檻


「市電同價」指的是太陽能電池發電成本與電力公司電網的售價相比,可以達到相同價格甚至更低,被當成一個比較太陽能發電與傳統石化燃料發電成本的指標。各界紛紛冀望超越此門檻後,太陽能系統可以在全球大量部署,以取代傳統石化能源。


全球各國擁有不同的日照環境,電價也有高低差異性,使各國在評估太陽能電力成本時有不同的比較水準。隨著時間演進,部分國家開始逐一通過此門檻,在2012年,首先通過的是擁有高電價且高日照的地區,以歐洲國家為主,例如德國、義大利、西班牙等,南半球則以澳洲為代表。另外採用獨立電網的夏威夷,也因大量採用進口燃油,發電成本較高,也是首先通過市電同價之區域。


在2012年至2015年之間,第二波通過的國家,則是已開發國家中電價偏高之區域,如日本、法國及美國加州,但也逐步包含了發展中國家,如巴西、土耳其等。隨著太陽能成本持續下降,預計2015年之後,市電同價之區域逐漸擴展至中國與印度兩大市場以及全球其他更多區域。


傳統電網供需與輸配成本具波段變化

傳統電廠發電成本並非單一,在市電同價的模型中,只能比較平均電網價格與太陽能成本,但這並不符合現實情況。在分析能源轉換過程中,需要考慮時間與地點的因素,才能完整呈現太陽能發電與電網之間的交互影響。


電力需求具尖峰與離峰之週期性變化

人類天性為日出而作,日落而息的生活型態,使一天當中用電量變化產生週期特性。在正常情況下一整天的電力消耗如下,黎明時是整體電力消費的最低點,隨著人們起床開始進行活動,用電量開始上升,至中午附近是整天用電的尖峰時段,到了黃昏用電量則減少。


這樣的形態也受到季節性的影響,冬季與夏季有些不同,在歐美冬季因為有暖氣的需求是用電高峰,在台灣則正好相反,台灣夏日的午後,往往是全台用整年度用電的高峰。家庭平均用電周期與整體週期相同,不過因為晚上仍有商業活動以及工業用電需求,家庭用電的波峰與波谷間差距比例較全體為大。


電力供給需反映尖峰與離峰變化

電廠一旦發電,電力難以被大規模儲存,因此傳統電網為了滿足隨時變動的電力需求,只能依賴可以快速調配的電網設計。傳統電網供給通常由以下三類電廠組成,分別是基載電廠、中繼電廠以及尖峰電廠。這三種電廠依照一天當中的需求變化,依照順序開啟,隨時調整供電。


基載電廠特點為發電成本低、啟動速度慢、因此需滿載運轉,通常選擇燃煤或核能電廠,作為整體電網最基本的發電供給,其一天24時均為開啟狀態;中繼電廠的角色,則是當電網需求超過基載時,則會循序啟動,其發電成本較基載高,但是反應速度快,通常為天然氣電廠;最後是尖峰電廠,只有在尖峰時刻,也就是中午附近打開幾個小時,以應付短時間突然升高的電力需求。此種電廠需要能在短時間內開啟與關閉,隨時配合調度,通常為燃柴油或重油電廠。


因尖峰電廠燃料成本相較前面兩種電廠為高,再加上一天只開啟幾個小時,產能利用率低,因此發電成本高昂。在這三種電廠組合下,傳統電網的邊際供給成本極高,形成一條在末端陡峭接近垂直的供給曲線。


表:基載、中繼、尖峰電廠比較

































發電廠種類

基載發電

中繼發電

尖峰發電

啟動順序

1

2

3

燃料類型

核能、煤

天然氣

天然氣、重油

啟動速度

發電成本


資料來源:資策會MIC,2015年11月


每個國家因各國環境差異有不同種類電廠配置比例,但所有電網均需處理尖峰、離峰需求變動問題,一定會設置尖峰發電廠,以致邊際發電成本偏高。在此成本結構下,部分地區會採用隨分時收費機制,在尖峰時段收取用戶電價為離峰時段的數倍。以美國電力公司PG&E為例,其採用的分時費率讓尖峰與離峰差距可達8倍之多。


對電力公司而言,尖峰收費是其公司重要的利潤來源,因為在尖峰時段,基載與中繼發電成本仍然與離峰時段相同,卻可以極高的邊際價格出售,成為最高毛利的產品。


零售電價包含電網輸配電成本

傳統電廠為大型集中式發電,通常設於人口密度較低的區域,透過高壓傳送至都會或工業區域後,再經中低壓配電線路配送至用戶端。從電廠發出來的電,有很大的比例在傳送過程中耗損,再加上分攤高額電網架設費用後,輸配電成本約占終端電力成本三成,依照各國狀況比例稍有不同。對台灣而言,用電量集中於北部,但電廠設置集中於中南部,除了傳送成本增加之外,另外還須承擔中間斷路的風險成本。


小型分散式太陽能系統恐衝擊電力市場


圖二 : 小型分散式太陽能系統有望成為一般家庭替代傳統能源最佳的解決方案之一。
圖二 : 小型分散式太陽能系統有望成為一般家庭替代傳統能源最佳的解決方案之一。

在市電同價下,除了大型地面太陽能電站之外,小型分散式太陽能系統成為一般家庭替代傳統能源最佳的解決方案之一。當中午電費最貴的尖峰時段,住戶採用相較便宜的自發太陽能電力,離峰時段則選用便宜的電網電力,價差之下產生經濟誘因,驅使更多的住戶加入安裝小型分散太陽能行列。


與零售電價最先同價

電網電價分為兩種,零售電價與批發電價。電廠發電之後透過電網傳送,最終到住戶家中,因此住戶面對的是零售電價,零售電價主要包含發電成本、輸配電成本以及電力公司利潤。隨著太陽能發電成本下降,太陽能電力首先打平的是零售電價,之後才是由輸配電路傳送之前的批發電價。


因此安裝於屋主自家屋頂之小型分散式太陽能系統可以自發自用,減少輸配電的線路成本,且不需要被電力公司利潤所分食,故對一般住宅住戶而言,雖然小型系統平均安裝費用較大型電站為高,但只要最終發電成本低於電網的零售電價,即產生了安裝太陽能系統的誘因。


發電週期與家庭用電週期高度重合

太陽能發電週期與日照相同,以中午時段發出最多電力。太陽能發電與住戶用電高度重合,重合部分正是尖峰電廠開啟、全日最高電價時段,因此對住戶來說,在最貴的電價時段使用自發的太陽能電力,是有極大的經濟誘因。


配合政府的淨電量政策,住戶除了自發自用之外,多餘的電可以賣回給電網,不足的部分則從電網補充,增加用電的彈性。雖然每個家庭可以安裝的容量不多,但隨太陽能成本持續下降,經濟誘因將會持續擴大,這種透過經濟誘因驅使眾多住戶改變行為模式,將成為一股如螞蟻雄兵般,自發性的太陽能安裝動能。


導入後 整體電網呈現新供需

屋主安裝小型分散式太陽能系統後,消費自有之太陽電力,將使整體電網尖峰需求減少,導致總體電力需求曲線內移,而此時正是電力公司毛利最高的時段,電力公司首先面臨流失安裝太陽能家戶營收的直接衝擊,此為第一波衝擊。


當電力公司首先面臨第一波的衝擊後,隨後遭遇更大的危機。因為陡峭的電力供給曲線,意味著在尖峰時段電力價格彈性極高,只要減少小量需求將造成邊際價格劇烈下降。短期而言,電價經過電力委員會審核通過,因此有一定的價格僵固性,電力公司仍可以跟其他住戶收取高額尖峰電價,但是長期上,市場均衡價格將下跌。上述變動將使電力公司,造受數倍於第一波的損失,而且經歷第一波的衝擊之後,尖峰電廠產能利用率滑落,造成發電成本進一步抬高恐將加速此惡性循環,形成第二波衝擊。


帶動儲能需求 恐降低對電力市場依賴

小型分散式太陽能系統發電規模超過住戶所消耗的電力,可賣回給電網,或是儲存起來等離峰時使用,但把多餘的電賣回給電網,需要政府政策配合並偕同電力公司開放電網。然而由於受上述衝擊影響,故導致各地電力公司多持消極態度,遊說當地電力管理當局設置系統收購數量或價格上限等條件限制,甚至堅持安裝太陽能的屋主,也需要一起分攤電網費用,用以降低一般家戶安裝太陽能之意願。


電力公司的反制措施,帶給小型分散式太陽能發展阻力,然而家庭用儲能系統興起,提供一個減少對電網依賴及降低電力公司抵制的良好的解決方案。透過家庭型的儲電設計,把多餘的電儲存起來在離峰時使用,能達到有效調節及管理家庭能源。因此隨著小型太陽能系統安裝增加,將帶動小型儲能系統需求,而儲能系統也幫助小型太陽能系統,突破電力公司所設下的障礙,帶動新一波的安裝動能,兩者呈現互補的發展模式,將有望擺脫電力公司箝制而形成第三波衝擊。


目前歐美日各國領導廠商,紛紛開發家用型太陽能結合儲能系統,以歐洲Daimler、美國SolarCity/Tesla以及日本Panasonic等為主要代表廠商。導入儲能系統可望驅使家庭能源朝更加分散方向發展。


結論


圖三 : 各國領導廠商紛紛開發家用型太陽能結合儲能系統
圖三 : 各國領導廠商紛紛開發家用型太陽能結合儲能系統

太陽能在尖峰時段發電的週期特性,與傳統電網結構形成互補。與大部分大型太陽能電站採用政府的補助機制不同,小型分散式系統是由屋主自主性的經濟誘因帶動,推動太陽能市場朝向無補助的自由市場機制發展。雖然目前小型系統仍極度仰賴創新的融資及商業模式,以及政府法令與當地電力公司的配合,但是隨著市場環境成熟,這些問題也在逐步解決中,小型分散式太陽能將帶給電力市場巨大及長遠的影響。


尖峰電價當標準 達市電同價地區將大幅增加

雖每個國家平均電價有差異,但是尖峰電廠成本遠高於平均電價,若以太陽能發電成本與當地尖峰發電成本比較,達到市電同價的國家,將會比預估的還多。如果當地採用分時電價機制,不需等到太陽能成本低於平均電價,只要有助於住戶減少尖峰用電量,即可推動小型分散式太陽能系統安裝。


一旦通過市電同價門檻 市場將加速發展

一旦小型分散式太陽能系統在一個區域內達到市電同價,隨著技術發展,發電成本只會更低,與電網價格差距會越來越遠,隨著價差增加,對於屋主安裝自發自用太陽能系統的誘因將會增加。除此之外,住戶安裝太陽能系統將會持續運作供電二十年,電力公司沒有能力重新爭取此客戶,造成長久性的營收流失。


(本文作者為資策會MIC產業分析師)


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