能源资通讯技术(EICT)是指涵盖各类应用于能源领域的信息和通讯技术,用来对能源系统进行监测、分析及最佳操作,以节约能源,提高系统整体能源效率。其应用范围包括输/配电自动化系统(T&DAS)、智慧电表系统(AMI)、能源管理系统(EMS),如表1所示。
台湾能源资通讯产业简述
信息和通讯为台湾的优势技术,其个人电脑、显示器、卫星定位装置、网络通讯设备等消费性产品在全球市场占有率皆名列前茅,各项资通讯设备年产值超过新台币4万亿元。然而,相对于消费性产品求新求变的趋势,能源领域特别是电力领域的技术应用则非常保守,通常以安全稳定为最高原则,而优先考量成熟技术。由于电力领域的调度系统常涉及发电设备操作整合,因此传统电力调度系统市场为ABB、西门子、施耐德电气(Schneider)等跨国公司所寡占,在确保稳定供电的需求下,台电公司多采用海外产品,岛内厂商往往仅供应电表、配电变压器等设备,缺乏系统发展经验,在能源管理领域的应用发展上也属萌芽阶段。
近年来,全球智慧电网建设逐步转变能源产业特性,为了促成终端使用者参与,并整合分散式能源,电力系统资讯化与智慧化需求更为迫切,带动能源资通讯技术在电网调度与整合领域的应用。另一方面,能源成本上涨与二氧化碳减量需求也提高了使用诱因,而大量终端用户资讯化并非传统电力企业所能顾及,其他企业的参与机会大幅提高,使能源资通讯产业的发展更为多元化。
电力为最常见能源型态,与民生关联最为紧密;而其他能源系统也可能直接运用天然气、煤、油等资源。电网通过高低电压电力线路将所有供电设备与用户连接在一起,构成一个整合的电力系统,任何一个节点的供需变化都将影响其他节点;相对而言,其他能源系统多为独立运作,或与其他少数系统互动,以构成整合生产体系。
在电力系统上,全域供需调度的需求极为显著,也使得能源资通讯技术的应用更加必要,资通讯技术导入,使传统电网逐渐转变为智慧电网,通过电力资讯即时搜集分析、使用者参与、系统设备更新、以及最佳化调控,再生能源的导入将更为容易,使用者能获得新型服务与优惠方案,而电力系统运作也将更有效率。
能源资通讯技术应用领域及相关产品如图1所示。在电力系统中,能源资通讯技术可概分为输配电自动化系统、智慧电表系统、能源管理系统等3个群组,其中能源管理系统主要应用标的包括住宅、服务及工业等3个部门,而住宅与服务部门常通称为建筑部门。其他能源系统则主要为燃烧系统,用以产生电力、蒸汽或热能,相关的能源管理系统经常是生产控制系统一部分,用以达成效率最佳化,实际上,电力系统中发电厂控制也属于同类应用。
目前台湾配电自动化系统为利用电脑、电子和通讯技术对配电网设备以及用电负载进行监视、控制和管理,其目的为提高配电系统的安全经济运行水准,降低损耗电能,减少故障并提高供电质量。而智慧电表系统为电力供应端与使用端界面,也为资通讯发展的核心主轴,通过智慧型电表建设,收集完整且即时能源使用资讯,作为电力自动化供给调度和需求面管理基础。另外能源管理系统则包括建筑能源管理系统、家庭能源管理系统,需量反应服务包括负载削减、系统整合与咨询等服务
由于岛内具有完整的资通讯产业与技术,在硬体竞争拥有优势,多项电脑与网通产品全球市占率高,嵌入式系统与强固型产品设计能力强,并结合电力电子系统技术能量,构成极具全球竞争力的产业链(见图2)。
为加速推动岛内AMI建设工程,2010年台当局行政主管部门核定“智慧型电表基础建设推动方案”。岛内AMI设置分为69千伏以上高压用户与一般家庭的低压用户;依据规划,优先推动占全台湾用电量58%的高压用户24,000户全部装设;而一般家庭的低压用户,由于用电量仅占42%且投资金额较大,因此规划以600万户装设为目标,并分成四阶段布建,规划如表2所示。
2013年台湾能源资通讯产业产值达到新台币182亿元,较2012年增长29%。2013年完成剩余1.2万户高压AMI安装并与控制中心连线,累计已完成全面24,000户高压AMI建设。低压AMI部分,2012年累计完成约1200户示范系统,带动岛内AMI产业;另外,台电公司2013完成建设1万户低压AMI系统,藉此评估时间电价的效益。并结合厂商推动家电共通的能源资通讯标准,2013年累计完成14类家电的通讯控制协定(冷气、冰箱、除湿机、电视、洗衣机、烘衣机、空气清净机、微波炉、热泵热水器、电锅、开饮机、电磁炉及烘碗机、全热交换器),以作为未来岛内推动智慧家电的基础。
在能源管理系统(EMS)应用部分,至2013年底,台湾已建成1570座便利商店能源管理系统,并在嘉义建成全台湾第一座导入可再生能源、LED照明及电动摩托车充电系统的绿色智慧便利商店,及协助厂商建设公路上第一座绿色智慧服务区,且配合业界需求,推动EMS服务海外应用,包括便利商店能源管理系统在中国大陆上海的试点计划,以及中华电信公司在福建的iEN服务推广。
此外,针对高耗能场域如百货公司及量贩店开发特用的能源管理系统,并进行技术测试验证,节能效益可达10%;推动高科技厂导入冰水与空调最适化控制技术,平均可降低3%~5%的冰水与空调系统节能量;发展燃烧炉优化控制技术应用于60兆瓦汽电共生厂,于两批煤源测试期间,节能效益在0.6%~3%,年可节约5000吨燃煤,另应用于提升加热炉的温度控制品质与能源效率;结合代操作厂商将热泵系统动态最适化运转控制技术应用于科学园区污水处理场,并导入水利署的凤山污水处理场。
台湾能源资通讯技术发展目标与策略
台湾能源资通讯技术的发展目标为促成节能减碳与产业发展,在节能减碳层面,依既定政策,自2008年起,岛内能源密集度应每年降低2%,并使2020年碳排放回归到2005年排放水准;2025年回归到2000年排放水准。
除了产业结构调整、设备效率提升之外,能源资通讯技术是另一个节能减碳的主要手段,一方面在能源的需求端建立能源管理系统,提高能源效率,节约5%~15%的能源消耗;另一方面通过智慧电表系统链结供应端与需求端,进行最佳化系统调度管理,整合分散式能源,改善不稳定再生能源发电对电网冲击,降低电力供应端整体排碳,同时抑制尖峰用电,降低电力系统营运成本。
在产业发展层面,借着市场转变契机,发展利基关键技术,培植系统服务厂商,并争取海外商机,以期台湾能源资通讯产业的产值在2015年达到新台币260亿元;2020年达到新台币600亿元。
根据台湾工研院发布的最新研究报告,认为现阶段岛内厂商的能源资通讯技术与应用经验仍需强化,而岛内节能应用市场驱动力量仍未完全展现,为推动技术研发与产业发展,需采取积极策略。
台湾岛内电价偏低,不利于节能服务推广,也造成现段再生能源导入持续贴补。台电虽已提供时间电价方案,一般低压用户采行意愿偏低。未来通过时间电价及其他弹性电价方案推行,一方面提高使用者节能意愿,降低其总用电量;另一方面抑低尖峰用电,降低电网调度困难与成本。电价制度的合理化可望大幅提升能源管理系统导入比例,带动能源资通讯应用技术发展与产业增长。
由于电力系统规模庞大,资讯系统间需有适当的界面进行整合,而输配电设备与终端耗能设备也必须依循适当装置界面,方能整合运作。国际上常见的标准包括变电站自动化系统相关IEC-61850、智慧电表相关IEC-62056, ANSI C12.22、需量反应相关OpenADR, SEP2.0、能源资讯系统相关IEC-61968,IEC-61970等。岛内能源管理系统尚未大量导入,原因之一为节能效益尚未满足所有使用者期望;另一个主要原因则是系统界面缺乏一致标准,导致系统整合困难,成本居高不下。
因此,由使用者能源管理所需界面出发,包括家电设备、商用设备等装置的能源资讯界面必须尽早制定共通标准,此外,能源管理系统彼此介接所需共通信息模型、电力设备整合的装置与资讯界面、智慧电表系统的软硬体界面等标准也须及早确立,以利各界投入技术发展与实务应用。总之,能源资通讯产业为求顺利进入国际市场,岛内需大力推动以国际标准为依归的共同标准。
传统电力系统市场相当保守,输配电系统软件长期为外商所垄断,岛内企业由于技术与经验不足,短期内难以切入。相对而言,使用者能源管理应用市场较为开放,虽然工业/建筑自动化系统仍为少数海外大厂所主导,能源管理系统的建设需因地制宜,必然需要区域性系统整合商参与,岛内厂商所发展的软硬件技术较易于引进。岛内资通讯人才充沛,能源管理所需的感测、控制、通讯元件,以及分析决策软件,均能自力发展。特别是能源管理系统软件,预测、建模、分析、决策等流程都需要相当的领域知识,才能发展为实用系统,技术研发方向应由简入繁,并由终端能源应用逐步发展到系统调度。在过渡阶段,宜适度引进海外技术,以加速系统产品开发。
能源供应与民生及产业运作息息相关,尤其在输配电系统上技术验证,动辄影响数千个用户。因此,新技术开发验证与应用领域的扩展都需要台当局支持。特别是电业相关产品或服务,若未建立足够实证经验,极难进入国际市场,因此,如智慧电表系统、配电自动化系统、分散式能源调度管理等相关产品服务,尤其是电力相关产业进入,台当局应制定相关导入的法规,规定电力企业必须释出场域,培养岛内企业实证经验与业绩,以扶持企业获取整合实测场域,作为进入国际市场基础,而公共部门也可带头导入能源管理应用。
台湾能源资通讯产业技术发展与时程
能源资通讯为整合应用技术,其实用性关键往往不在单一技术突破,而在系统设计,也因此,技术发展团队必须同时具备足够领域知识,并在实用中提升研发能力。在电网管理领域,海外重电大厂已累积数十年经验,在电力设备与系统模型构建、系统操作分析、故障诊断、自动化调度决策等领域皆有解决方案,尚未完全解决者为大量再生能源导入所面临的问题。
基于资通讯技术基础,岛内相关企业目前正在由智慧电表系统着手,并逐步提升重电技术,未来尝试由微电网系统切入电网管理领域。在使用者能源管理领域,岛内外技术水准差距有限,以负载预测为例,大区域预测误差约为3%;小区域预测误差约为5%;而对单一用户,若无适当感测器配合,则难以达成一般性的准确预测。在节能实务上,目前海外大多数应用案例仍以电力监测为主,通用性的软件难以发挥节能成效。软件发展趋势为模组化,依据不同场域特性,结合适当模组,进行简单调校即可应用。
基于能源资通讯应用领域差异,以下概分电网管理、工业能源管理、建筑能源管理3个项目分别进行说明:
电网管理
智慧电表系统构建了电力系统中供应端与需求端双向资讯链结,往往被视为智慧电网建设的第一步,其关键为安全可靠通讯系统,不涉及重电技术,且市场增长快速,适合岛内产业急起直追;而电网整合调度则需逐步建立关键技术。
智慧电表系统需提供稳定、可靠的双向通讯,关键在于运作相容性、通讯稳定性,以及资讯安全性。就相容性而言,国际上巳有智慧电表应用层标准通讯协定,欧规为IEC-62056;美规为ANSI C12.22,产品需符合其协定方能进入国际市场。就稳定性而言,智慧电表不论采行有线或无线通讯,传输讯号的品质都容易因环境变化而降低,实用的网络层协定必须能够克服环境变化,达到99.9%以上的信息获取成功率。就安全性而言,未来电表通讯网络将密布电网供电区域,势必无法构建实体的网络隔绝,因此加密验证技术与金钥交换机制必须妥善,以确保信息与电力系统运作安全。
短期发展策略为建立主站、集中器至智慧电网通讯系统解决方案,并配合海外电表信息管理系统或简易版的电表资讯系统,尽快取得示范机会或建设实绩,进入东欧、中东、东南亚等新兴国家市场;中长期则需建立自有电表信息管理系统,并强化网络安全机制与资讯应用系统,以扩大市场版图。
不论有线或无线,岛内通讯芯片商目前都无法提供智慧电表架构(AMI)所需通讯芯片,为求提供集中器与电表整合解决方案完整性,亟需智慧通讯芯片与相关软件技术开发,将一般通讯芯片提升至自动弥补通讯不良的完整芯片,此通讯芯片也可大量应用于民间大厂域通讯网架构,如路灯管理系统、社区能源管理系统,甚至工厂、校园通讯网建立。
电网管理涵盖终端用户、输电层级、配电层级,以至发电厂。越向上游,调度的电量越大,调度失误造成的损害越严重,技术与品牌门槛也就越高。就岛内产业生态与技术能力而言,短期内应由小区域或离岛型区域能源调度管理着手,结合负载预测、再生能源发电预测、需量反应系统等技术,整合分散式能源,验证区域性高占比再生能源整合技术,并建立小型示范系统。在落后地区或城乡差距较大地区中,缺电区域即有应用机会。中长期则应提升微电网系统控制能力与规模,并强化重电技术或结合国际先进技术,经营输配电自动化市场。
工业能源管理
世界各国工业部门耗能占比普遍高达50%以上,与其他部门主要差异有两点:一为生产制造系统相当复杂,节能手法不能影响生产,受到相当大导入限制,而各个次系统又彼此关联,若未能彻底厘清系统特性,便无法达到最大节能效益。二为工业部门除了使用电力之外,也大量使用煤、气、油的燃烧以产生蒸汽或加热材料,因此,除了节约用电之外,燃烧炉操作最佳化重要性不可忽视,甚至应整合厂区或工业区所有能源供应,以达到最大的整体能源效率。
半导体、面板、石化、钢铁等产业为台湾重要工业,耗能也相当大,以岛内资通讯技术人才,投入相关领域节能技术研发,一方面易结合其领域知识,并取得实证场域;另一方面可望对节能减碳产生重要贡献。短期研发策略为确保次系统(空调、泵浦、空压、燃烧炉)输出维持不变,以系统建模分析手法,完成单机或多机并联系统运转最佳化,使业主不需更换任何设备、不需调整制程即可导入节能技术,提升其应用意愿,累积节能量与成功案例。
在元件发展方面,目前以可视化技术与利基型感测器为主,辅助前述节能软件达成节能效果,整体目标为建立优势节能核心软件,吸引国际自动化大厂合作,排除切入国际市场品牌阻力。中长期策略则是建立资讯透明化全厂能源管理系统,也即建立完整系统模型与参数分析能力,使厂内各次系统能够协同运转,破除次系统边界条件限制,以达到最大节能成效,进一步提高节能核心技术的产业价值与市场占有率。
工业制程必然应用感测器以进行产线调控,多数感测器已有成熟产品。然而,部分感测系统仍有大幅改善空间,如加热炉温度分布若倚赖红外线摄影机,则成本极为高昂;若采热电耦或红外线测温枪,则测量资讯不足,难以进行即时调控,因此,利基感测系统开发则有其商机。感测与控制资讯传输也为重要议题,由于工业控制对于资讯传输可靠性要求高,而感测器数目庞大,工业环境可能充斥干扰杂讯,使通讯系统传输能力备受考验。在既设工厂装设新感测器时,为了减少布线成本与空间需求,无线传输可能取代传统有线传输,无线感测网络的各类技术问题在工业应用上也需解决。
工业应用的能源种类多样,包括电、动力、燃料、压缩空气、水与其他类型能源,节能技术开发针对能耗与节能空间大的工业单一系统,进行节能技术开发,将能源使用量有效降低,在工业环境下,系统间能源供给与需求有着交互作用因素,跨系统与全厂能源节能技术,甚至某一工业区域间能源的有效运用,将可使整厂或整体区域能耗降低,达到有效节约能源。
推动能源供给与需量平衡控制技术,建立厂内能源流与损失分析技术,可有效评估厂内系统能源使用效率或碳足迹的计算,并减少能源损失,供应合理的能源予系统或制程;开发能源使用与负载预测技术,可使能源管理员充分获得能源使用状态,可有效进行能源与设备运用与提升用电效率,智能化能源动态平衡与整合能源供应与需求,更可有效运用再生能源搭接厂内能源使用,形成厂内小型智慧电网,开创新节能减碳新方法。
分短中长期推动开发小中大型能源监控管理平台,逐步进入市场,与国际大厂竞争。为对能源信息收集、储存、管理、控制、显示与报表的平台,推动开放式通讯协定对信息收集与控制面,可降低设置与维护成本,并提高整合性与扩充性,突破岛内市场由海外产品垄断的局面与提升产品自主性,信息管理与控制,可结合节能技术应用获得节能成效,能源与效能信息可视化显示,可诱发非能源管理员的主动性节能。智慧型工业节能监控技术可降低人为管理失当导致耗能因素,工业能源云端管理平台技术建设,更可降低企业管理平台建设与维护成本。
建筑能源管理
台湾建筑部门总耗电占比约为40%,虽然不及工业用电,然而其用电调节较具弹性,易于导入能源管理系统,也易于配合需量反应措施,平抑尖峰用电。一般而言,家庭节能潜力可达10%~15%,成本效益依电价计费不同而有差异,因单一家庭耗电不高,降低耗电量所节省电费相对有限,投资回收期程往往过长。降低建设成本与提高经济诱因是大量推广所面对的课题,解决方式为建立智慧家电标准化界面,降低设备整合成本,提升操作弹性,并以需量反应措施提高经济面诱因。
岛内服务业耗能依其营业内容而有差异,校园、商场、百货公司、办公室等皆有不同用电模式,气候与其他因素也可能造成系统设计巨大差异,例如岛内商场冷气机几乎全年运转,而在高纬度地区,冷气机可能每年只运转2个月。服务业导入能源管理系统主要控制标的多为空调与照明,并依情境进行自动调节控制,以维持正常营运。
建筑部门能源管理系统复杂度较工业部门低,然而解决方案须因地制宜,变化相当多,并且潜在客户数量庞大,因此,区域性系统整合商易于取得主导地位。短期发展以建立成功应用案例与关键元件IP布局为主;中长期则应基于IP布局,发展关键元件,并构建模组化系统解决方案,配合在地伙伴与通路,推动海外系统建设与服务。
构建全面智慧感知环境被视为是降低建筑耗能的必要关键技术,然在构建过程中,随着使用感测器数量增加,对能源的需求也会增长,为加速环境构建并降低因构建智慧环境能耗,将开发具能量采集功能的感测器,以降低布建的能耗及维护的困难度。
为降低尖峰用电对电力系统的冲击,及时间电价对使用者能源使用行为的改变,传统需量管理已无法因应设备使用与能源管理的需求,因此,开发具即时需量反应功能的控制模组与智慧家电,以因应电价及即时环境条件改变的关键技术。
为扩大节能减碳效益,再生能源及储能设备的导入建筑能源管理被视为未来必然的趋势,然而再生能源发电不确定性会影响建筑对市电的需求,为提升再生能源设备运转发电的经济效益,并降低发电的不确定性影响,将通过再生能源发电预测与耗能预测技术开发,降低再生能源系统导入建筑能源管理系统的冲击与提升能源效益。
除了活动类型,不同族群的使用者,其耗能型态与趋势也不相同,为有效诱发使用者的节能意识,需藉由耗能分析,得知其所使用的设备,并将相关资讯导入节能控制策略,整合于劝诱式逻辑,通过互动式人机界面呈现于使用者,以提升节能意愿及节能效率。
台湾能源资通讯产业发展现状与成果
为鼓励岛内研究机构与产业界陆续投入能源资通讯技术研发与应用,台当局有关部门除了以“科技专案”引导进行技术研发之外,于2009年制定“绿色能源产业旭升方案”,将能源资通讯列为7项重点产业之一,提出整体的产业发展构想。2010年核定“智慧型电表基础建设推动方案”,展开岛内智慧电表布建,带动市场商机,2011年又核定“智慧电网总体规划方案”,制定智慧电网建设时程与产业发展方向。在各界努力下,已有初步成果,以下就3个应用领域分别说明,并略述未来规划。
电网管理
在电网管理领域,智慧电表系统技术为研究机构及产业界近年投入重点,2011年完成1,200户低压智慧电表示范系统建设,企业也取得台电公司1万户建设项目,逐步发展台电所需产品。着眼于国际市场的快速增长,台当局以科技专案计划先期投入电表网络技术开发,完成智慧电表通讯系统原型开发。
以欧规智慧电表的标准通讯协定IEC-62056为基础,完成应用层软件堆迭、网络层强化模组、网络安全系统,并发展集中器与主站软件。其中ZigBee网络层强化模组在测试环境中,将通讯成功率由平均约95%提升至100%。网络安全系统则配合智慧电表特性与IEC-62056-53规范,在电表与集中器之间采用对称式加密,并开发系统初始化与金钥交换机制,以便在运算能力较弱的电表上,建立实用的安全通讯;在集中器与主站之间则采用非对称式加密,并开发完整的凭证配发、验证与废止的架构,配合集中器韧体编码确认机制,除了确保广域网络的通讯安全,在集中器韧体遭受窜改时,也能即时发觉而将其自安全网络剔除。此外,研究机构已建立IEC-62056验测平台,可协助企业确认智慧电表通讯软件相容性,以便快速取得DLMS认证。
整体而言,欧洲规范智慧电表、集中器至通讯主站的电表网络系统在岛内已完成技术开发;美国规范(ANSI C12.22)基础系统也将在两年内陆续完成,技术成果如图3所示。岛内厂商已具备争取国际智慧电表标案的基本能力,惟有设置于电力公司内部的电表信息管理系统技术仍未完整。目前厂商已积极接洽东南亚、东欧、中东等地标案,短期内可搭配国际合作伙伴的资讯系统共同竞标,或自行开发简易版资讯后台,以进行小规模示范系统建设;就长期来看,应完成自有整体解决方案开发,以提升产业竞争力。
至于电网整合调度应用,目前仍处于技术研发与验证阶段。研究机构所发展的区域能源负载预测技术,逐日预测的误差约在3%~5%,逐时预测的困难度稍高,需再强化软件分析能力。风力发电与太阳光电出力预测技术的准确度与天气变化及预测前置时间相关,电力调度特别需要短期预测信息,目前太阳光电发电量15分钟前预测平均误差已可降至10%左右,即使天气变化快速,就长期来看,至少95%预测信息误差低于15%,接近实用水准。数10千瓦至100千瓦级分散式能源整合技术也有初步成果,结合市电、太阳光电、风力发电、储能系统的区域性能源调度已进行原型系统验证,并可侦测市电故障,于并网及孤岛运转模式之间顺利转换。
工业能源管理
工业用电中,厂务公用系统与制程系统大约各占一半,空调通常为公用系统中耗电最高的次系统;而泵浦、空压机等马达动力次系统则与公用及制程皆有关联,耗电量也相当高,因此,岛内最先投入的工业能源管理技术以这两类次系统为标的。其他类型能源系统能源管理则以燃烧炉为初期研发目标。
为保持良好运作效率,设备操作人员通常依据冰水机、泵浦等设备的出厂效率曲线进行操作。效率曲线所代表为单一设备的出厂特性,当设备彼此并联,配管的差异必然造成特性变化,再加上设备老化、管路积垢等因素影响,大型空调系统极难倚赖人为操作达成最高系统效率,能源资通讯技术的导入即可解决此一问题。
最适化控制系统由3个主要模组所组成:
(1)设备性能自动建模:藉由运转信息搜集分析,自动建立设备与系统性能参数。
(2)自适应误差修正演算:当系统特性因维修保养、长期运转而改变,系统模拟预期耗电量与测量值差距过大时,系统性能参数自行重新计算,以维持系统模型与真实设备一致性。
(3)运转最佳化演算法:依据系统状态与操作限制,求解最佳的节能运转操作组合。
此技术已运用于岛内半导体厂与面板厂,对冰水空调系统平均节能量可达2%~3%。
马达动力设备最适化运转发展缘由与冰水系统最适化控制技术类似,其目标是提升马达动力系统整体运转效率,应用标的包括机泵系统、排气系统与空压系统,现阶段成果包括手持式效率分析工具、多机并联操作建模管理平台及智慧型自适应节能控制器等。
以机泵多机并联操作建模管理平台为例,依据厂商所提供机泵特性参数以及系统模型构建工具,此一管理平台能够完整模拟机泵系统各项特性,也可输入实际测量数值完成特性曲线绘制。机泵特性曲线、现场压力、管路流量等信息为设备操作最佳化的基础资讯,依据输出目标与管路配置资讯,演算法将迭代演算,自动分配最佳流量予各具机泵,也即设定各机泵的最佳操作频率。
这项技术已导入岛内污水处理厂,在实测案例中,机泵最适化运转技术应用于反冲废水井,降低机泵耗电约20%;风机最适化运转技术应用于接氧池,降低风机耗电约14%。
燃烧炉操作目标为提升效率,减少NOx排放量,并保持其热能输出或产品品质。不过由于燃烧为复杂物理问题,直接描述燃烧状态相当困难,而空燃比、蒸汽量、产品温度等资讯虽可表达部分特征,对于最佳化控制往往力有未逮。传统控制方法往往倚赖少数感测资讯,以试误方式进行调校,然后由资深操作人员观察火焰或感测器,凭经验持续调控。
能源资通讯技术应用可解决此一最佳化问题,已完成燃烧炉温度场测量、推论式感测器及循序最佳化演算模组技术,根据操作数据的持续更新,最佳化操作策略也可循序更新。
该技术采用一般可见光摄影机的影像,成本极为低廉,藉由不同波长光强度校正与换算,可构建二维温度场,温度测量范围涵盖700℃~1200℃,平均相对测量误差低于3%,对于钢铁业与烧窑的产品品质监控极有助益。而燃烧系统推论式感测,则为燃烧系统重要品质参数预测技术,且具备信息遗失处理与模型自适应能力。现阶段推论式感测的预测值与观察值的相关系数大于0.9,对燃烧状态描述已经具备代表性。通过推论式感测演算法,制程管理者得以持续评估未来产品品质,在提高能源效率同时,保持正常的良率与产量。
目前,燃烧炉二维温度场构建技术已在钢铁厂与长晶厂进行实证测试,成效良好;而最佳化操化系统在某石化厂汽电共生炉(60兆瓦)进行测试,燃料节约平均可达0.5%,相当于每年节省新台币600万元。
建筑能源管理
应用电力管理插座进行家庭能源管理,岛内已有完整解决方案,厂商甚至推出内建电表耗能感知型智慧家电,而网通商也积极于市场上推动能源管理服务。现阶段发展瓶颈为能源管理系统建设成本,除节能系统软件技术持续改善外,简易型电力量表与智慧家电互通协议也是关键因素。
2012年,岛内完成全球首创扣合式电力感测器,目前可测量的电流范围为1~100安培,最高电压为600伏。此创新的感测器称为电表便利贴。元件架构与应用方式如图5所示,其安装为非侵入式,与传统电表的安装方式截然不同,可避免电流过载时电表烧毁风险,并且在安装过程,设备不需停电,也不需剥离设备的多股电源线,安装极为简便,适合一般使用者于家庭及服务业场域使用,未来三线式的扣合式电表对于工业应用更为重要。电表便利贴体积与成本均优于传统插座电表,未来可与能源管理系统整合,达成自动化节能减碳。
台湾研究机构与岛内家电与网络通讯厂商多年来历经数十次会议协商,已完成家庭节能网络互通协议草案SAAnet 4.0,为智慧家电能源资通讯界面制定共通标准,以加速智慧家电的整合应用。该互通协议已获得岛内5大家电厂商参与支持,至今完成14类家电通讯标准,包括冷气、除湿机、冰箱、洗衣机、烘衣机、热泵热水器、电视等。未来将陆续进行其他家电互通协议制定与互通性测试平台,落实于家电产品开发。
服务部门由于场域不同,所使用的设备与耗能分布也有差异,因此,感测器配置、控管设备标的、最佳化演算法、以及软件系统平台设计均有差异。现阶段已完成便利商店、超市、百货公司以及办公建筑能源管理系统开发。便利商店能源管理系统已进入商业建设阶段,累计完成1400座,节电比例约5%,配合尖峰抑制,调降契约容量,节省电费可达8%。其他场域的空调最佳化控制可达5%~10%的节能,若配合变频设备更新,空调节能甚至可达15%~20%。在节能同时,必须维持环境基本舒适度,因此人员流量分析以及感测与控制网络整合均需导入新资通讯技术。
目前台当局推动能源资通讯着重于关键节能模组开发,以厚植岛内产业实力,并结合大型场域的建设测试,评估其效益与加值服务的开发,对于AMI及能源管理采取不同的推动策略,以有效提升产业价值,改变传统产品出口的方式,系统服务取代单一产品贩售,强化服务的价值与系统的品质,并满足市场的需求。
根据规划,未来台当局将藉由培植岛内电表厂商争取国际建设投标项目,推动智慧电表出口,并通过家电共通资通讯标准以协助厂商开发智慧家电产品,另外也将推动能源管理技术海外应用与工业应用次系统的关键节能技术,建立自有核心技术以进入国际供应链体系。预期2016年岛内外AMI建设标案将带动智慧电表产出量达200万部,年产值预估可达新台币320亿元。