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电网：将电力输送到各地的网路系统
在十九世纪，电力是在靠近电力需求的地方生产的，但到了二十世纪，规模经济催生出集中式发电厂、长距离传输线和地方的变电站。现在，世界上大多数国家的电力都是透过电网来提供。
这套系统是为了满足供电需求──最低需求称为基本负载（baseload）──所设计的，由最便宜的发电机来满足。
直到最近，发电方式通常是以燃煤为主（也有国家是以核电或水力发电为主），而且大部分的时间都在运作。会搭配其他发电厂（通常是循环燃气涡轮发电机）来支援，以满足每天的负载量变化，也会有可快速运作的小型燃气涡轮或柴油发电机来应对激增的需求或是发电厂停摆等故障问题。
发电厂和变电站间的输配电系统很重要，这可确保即使有单一线路或发电厂出现问题，仍旧能够维持电力供应。电网有办法将电力输送到偏远社区，也能获得偏远地区的发电。
再生能源进场後，该如何和传统电厂互相配合？
现在，太阳光电场和风场在许多电网上提供的电力占比日益升高，这正在改变对发电厂的要求。在一般情况下，一天之中混合使用再生能源和传统发电厂的发电方式最为经济，而不是完全使用大型的传统发电机。
除了提供洁净的电力外，风场和太阳光电场的营运成本最低──这称为边际成本（marginal costs）──因为它们没有燃料成本，并且会首先调用。
为了让风场和太阳光电场达到最大使用效能，最好是搭配能够因应电力供需变化而快速反应的其他发电厂；而且理想上，这些电厂的运作也应该符合经济效应，运作时消耗的用电量仅占其最大负载量的一小部分。
一般来说，燃煤电厂和核电厂的数量并不会有快速的增减，而燃气和再生能源电厂则是更好的选项。根据地点的不同，水力发电、生质能、地热和聚光太阳能（搭配蓄热储能）都可以担任灵活发电的功能。
化石燃料发电厂可以储存燃料并因应需求来提供电力。风场和太阳光电场与这些可以随时供电──称为可调度或固定供应──的发电厂不同，这两者的运作都取决於天气这项变数。
运用 AI 技术，摆脱「天气」这个天生弱点！
尽管有时会出现风力弱和阴天的日子，然而，与一些人想像的刚好相反，拥有大量风力发电和太阳光电的电网其实能够在需要时提供电力。
透过人工智慧（artificial intelligence，AI）来获取良好的天气预报，太阳光电场和风场的输出变化通常是可以预期的，因此可得到最佳结果。
当再生能源供应达到总电力需求的 30％ 时，这些变化可以轻易透过装配在电网上的快速反应发电厂来填补，以满足供电需求的变化。
当一处 1000 兆瓦的大型发电厂意外跳电（可能是设备故障或过载），处理起来可能远比风力发电或太阳光电的电力突然下降更具挑战性。备用储电站必须迅速上线，而风场和太阳光电场若是尚未达到满载，还可以在有风和晴天的天气迅速提高其发电量，提供额外的宝贵备用电。
再生能源成为主要来源後，怎麽让电供保持稳定？
为了提供洁净、安全和价格低廉的电力，并且在本世纪中叶大幅减少碳排放，避免气候变迁演变到危及生灵的程度，全球的供电必须以再生能源为主。透过增加再生能源的输出、地理分布以及与其他电网的连结，再生能源的供电占比将可望提高到电网的 50％ 左右。
在一定程度上，增加这类绿电的发电能力可以弥补天气条件恶劣的情况，而连接大范围的太阳光电场和风场则可以提供更平稳可靠的电力。
在欧洲，丹麦已经与挪威、瑞典或德国等国进行电力交易，以此来平衡电力供需：在他们自己的风力发电量高时出口电力，而在发电量低时则进口电力。
然而，建立洲际再生电网并非易事。过去曾经有一项 DESERTEC（沙漠科技基金会）的提案，计画要将北非的太阳能传送到欧洲，但由於政治不稳定，再加上不同地区和国家对规画中的电网各有所图，产生相互冲突的反对意见，因此难以具体实现提案。
此外，由於太阳能板的成本急剧下降，因此日照多的优势变得不那麽重要，因为可以靠增加太阳能板的大小来弥补日照少的缺憾，这比支付长距离传输费用更为经济。能够在地方发电也等於是提供了一份供电的安全保障，不必依赖化石燃料进口。然而，广泛架设的电网确实对於供需平衡有极大的帮助。
若是能配合供电来调整电力需求，就可降低对储能厂的需求──这称为「需量反应（demand response）」──或许可成为一个更便宜的选项，因为那些用来支援电力尖峰的快速反应发电厂的运作成本最高。
智慧电网：更聪明、更弹性的调整电力供应！
使用智慧电网可以让电网营运商和用户间进行双向沟通，调整电力负载量，使其与供电端相等，这样就能确定出需要从电网中取用的的需求量，或是添加量。
出现短时间停电或减少电力供应时，许多运作仍有可能继续维持，好比那些具有热惯性的操作──像是保持铁或沥青、熔融物或超市冰箱冷藏食物的温度；或是建筑物的温度调节──或是在将零件组装成产品前，先制造出充足的零件备量。
同样地，可以透过启动电炉、大型电解槽或海水淡化厂（以帮助应对气候变迁造成的乾旱）来增加需求量。在数位化科技的推动下，我们正处於智慧电网革命的开端，这将会对电力负载量造成重大变化，将会让迈向再生能源的这段过渡期更为容易，并且为客户带来更低的成本。
另外，可以用价格差异来鼓励客户改变他们的电力需求。在义大利，有推行一个简单的计画，是以固定费用（取决於所使用的最大功率）和每度电的价格来回收发电厂的资本和配电成本以及发电成本。
以限制电力需求的方式（让消费端的电价变得更便宜），白天必须间隔使用电热水壶、洗衣机和烤箱等电器；如果一次全部使用，就会跳电。
这样便可降低发电成本中最高的尖峰用电。而在离峰期（例如夜间）提供便宜电价也是一种方式。不过要达到有效调整，需要同时使用智慧电网和智慧电表。这样用户端可以看到他们的消费细节，并选择仅在低电价或优惠价格时段才使用某些电器设备。
储能设备对於提高再生能源的发电占比非常有帮助。以太阳光电场和风场这样的组合来供应夜间用电，往往会有白天过度生产，导致电价下跌的情况。若是没有储能设备，必须尽可能出口过剩电力，或是以减少供电来降低损失。短期储能可以将部分电力从下午转移到晚上，因此小容量即可以满足日常需求。
随着电池成本的急剧下降，这种储能的可用性变得越来越高，而且也开始取代那些用来补强绿电不足时的快速反应化石燃料电厂。
——本文摘自《【牛津通识课02】再生能源：寻找未来新动能》，2022 年 6 月，日出出版，未经同意请勿转载。