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能源应用之未来次世代行动应用前瞻
 

【作者: 甘岱右】2019年08月02日 星期五

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面对5G时代来临,主要国家陆续释出频谱,推动5G网路服务商用化,而我国原定於2020年释出频谱,也预计提早至2019年底或2020年1月完成频谱竞标与释照作业,希??协助业者尽早布局5G市场。



图一 : 时至5G,不仅是网速的提升,而可支援诉求大规模机器通讯、增强型行动宽频、超可靠且低延迟通讯等,更多元的应用服务情境。(source:gupy.io)
图一 : 时至5G,不仅是网速的提升,而可支援诉求大规模机器通讯、增强型行动宽频、超可靠且低延迟通讯等,更多元的应用服务情境。(source:gupy.io)

从4G进入至5G,不仅是网速的提升,而可支援诉求大规模机器通讯(mMTC)、增强型行动宽频(eMBB)、超可靠且低延迟通讯(uRLLC)等更多元的应用服务情境。以能源应用情境为例,三大特性分别对应大规模电表联网、离岸风电厂的无人机巡检、远程操控矿场的挖土机等。


5G能源潜在应用范畴,从发电源头如煤矿坑、油井、天然气田、风电厂及太阳能发电厂等,至输配电网,最後到用电端如住宅、建筑和工厂各项用电设备的能源管理,以及城市中的用电规模较大之设备如路灯、电动车充电桩等。



图二 : 现有能源应用可透过5G联网大幅改善现有服务效能,如远程操控机械。(source:Verizon)
图二 : 现有能源应用可透过5G联网大幅改善现有服务效能,如远程操控机械。(source:Verizon)

虽然能源应用范畴涵盖广泛,但普遍以低功耗广域物联网技术(LPWAN)即能满足大量设备联网需求,如设备维护、耗能管理等应用,在短期发展上非采用5G之首选。因此本文所指称之5G能源潜在应用,系指现有能源应用可透过5G联网大幅改善现有服务效能,如远程操控机械;或因为5G网路开始普及,让目前以3G/4G或蜂巢式物联网(Cellular IoT)解决方案自然升级至5G,如智慧电表。


根据上述定义,MIC预估2026年全球5G能源市场规模将达216.5亿美元,其中通讯专网、无人机巡检、智慧电网等属於短期内可较快实现并商用之5G潜力应用,而中长期具备较大规模市场之潜力应用为建筑自动化、电动车充电站等。



图三 : 全球能源应用导入5G市场分析   (source:资策会MIC,2019/05)
图三 : 全球能源应用导入5G市场分析 (source:资策会MIC,2019/05)

注:圆圈大小为各应用在2026年预测之市场规模示意


短期实现可能性较高之5G能源应用

油电矿场通常位於人烟稀少处,布满大型机具与设备,每日人工巡检既费时也费力,且肉眼有其限制,难以快速精确地掌握个别机具的运作情况,因此无法针对机具提早发布预测告警。以发电厂为例,由於同时有数十台涡轮机运作,每台涡轮机耗损情形各有不同,一旦发生意外停机,将损失高额维修成本。又如具高工安风险的采矿业,由於矿场不是在地下深处,就是在难以靠近的偏远区域,若无架设网路服务,将无法即时监控矿厂运作情况,当然也就不易提早针对异常状况发出告警,让人员暴露在高风险环境下工作。


然而,油电矿场因所处地理位置的特殊性,布建有线网路不易、耗时且成本高。因此,以免挖线路或架设缆线之无线网路为首选,快速导入网路服务。基於营运成本降低与人员作业安全的保障,目前在美国、加拿大、澳洲、中国大陆、印尼等处均有导入4G LTE建置油井、煤矿等专网实绩。预计未来5G商用化後,除了提供实时远距视讯监控、异常预警,还可实现无人机巡检、远端操控机械、AR/VR检修指导等,将大幅提升油电矿场营运效率、降低维护成本与工安意外。


油电矿场中通常布满大量输油管线、天然气管道和大型设备机具,为确保营运顺畅与作业安全,避免漏油、甲??等气体外泄、机具意外故障等,需要定期巡检。然而,厂区幅员广阔,有些石油钻井平台甚至位在海上,或是像电塔、风力发电机等属於高耸大型机具,仅靠人工巡检仍有不足,不仅效率低且危险度高。5G无人机在此情境下,可提供空中巡检,透过即时回传大量清晰的远端影像(如4K影像),可全面且精确的掌握厂区内的管线、油井、机具等运作情况。


以风力发电机为例,扇叶上若有污垢、漏油、盐晶、昆虫尸体等堆积或缺囗损坏,将影响发电效率。为确保清洁维护工作的落实,并及早发现扇叶上的微小损伤,可运用无人机影像辨识与热成像分析,快速侦测并定位故障处,方便维修人员前往维修,大幅提升巡检效率。根据美国科技公司CBINSIGHTS报导,5G无人机应用於电网巡检,预测可减少30%营运成本。


除了设备管线巡检外,无人机也可透过空拍影像,进行油电矿场的整体规划。如伊朗采矿公司Koomeh Mine Pars於伊朗Bardaskan市的铜矿场区,透过无人机空拍,建立矿区3D模型并计算矿藏量,提高采矿效率。



图四 : 透过5G高可靠、低延迟特性,除了可协助微电网精准掌握各个用户在各个时间点的用电需求。(source:itweb.co.za)
图四 : 透过5G高可靠、低延迟特性,除了可协助微电网精准掌握各个用户在各个时间点的用电需求。(source:itweb.co.za)

目前日本电信公司KDDI、以色列专网业者Mobilicom皆有与无人机业者合作实绩,架设4G LTE专网提供无人机操控运行,且商用无人机已投入市场。2019年加拿大地理资讯视觉化软体公司Kongsberg Geospatial与非洲无人机公司Aerial Robotix合作,提供奈及利亚无人机巡视石油与天然气管线服务。预期5G商用化後,将直接从Wi-Fi转到5G网路。


各用户在各个时间点所需电量不同,在发电容量有限下,须有效率分配电力,避免大面积停电。基於电力有限与安全性考量,电力输配系统必须能精准调度,一般而言,传统电网(属集中式电网)为确保输配电的运作效率,通常会自行搭建光纤网路,以便即时掌握各区电力输配状况,也能迅速因应紧急状况的发生。但随着人们越来越关心环境永续与绿能技术的发展,供电结构逐渐从集中式转为分散式,微电网需求渐增。


相较於集中式电网,微电网的发电端靠近用户,如屋顶上的太阳能板或近海社区旁有风力发电机,不仅可减少电力传输的损耗,也有机会发展出电力自给自足的社区,对於离岛、山区、偏远郊区或易遭风灾或淹水等区域具有吸引力。然而这些区域的地理位置特殊,光纤网路无法到达,因此存在5G导入需求。



图五 : 透过5G高可靠、低延迟特性,除了可协助微电网精准掌握各个用户在各个时间点的用电需求。(source:SAGE Automation)
图五 : 透过5G高可靠、低延迟特性,除了可协助微电网精准掌握各个用户在各个时间点的用电需求。(source:SAGE Automation)

透过5G高可靠、低延迟特性,除了可协助微电网精准掌握各个用户在各个时间点的用电需求,未来甚至能预测下次尖峰发生时间与地点,搭配时间电价或需量反应机制,透过使用者付费及节电奖励,在有限的绿电供给下,达到社区电力的供需平衡。目前中国大陆、义大利、巴西、瑞典等地均有采4G LTE建置电网专网实绩,且储能成本预计於2025年减半,届时将成为导入5G潜力应用之一。


中长期较有机会实现之5G能源应用

由於反空污、注重绿色永续生活逐渐为全球共识,2030年各国开始陆续禁售燃油车,势必加速电动车的推行,而充电站为其普及之关键。虽然充电站与停车位概念类似,但充电站的拓展多了配电设施与能源管理,基於快速铺设与有效监控各充电站运作,导入5G可免除布建有线网路困扰,大量快速扩充站点,并提供收费、配电等复杂的维护管理,甚至藉由充电站所搜集相关数据分析,未来还可针对驾驶在等待充电时间设计服务,如Wi-Fi、广告、休息站等。


而充电站为城市中主要供电设施之一,若与太阳能等再生能源发电结合,还可作更小型的区域微电网。搭配储能系统建置,未来充电站也有机会在无电动车充电的离峰时间或在电费过高的时候,将充电站的储能反??至中央电网,赚取价差。此时,在电力调度方面,存在低延迟通讯需求,提供电网实时掌握各处用电需求,避免电力调度不及,造成缺电或因大量电力回传造成电网不堪负荷等意外发生。


虽然美国加州、中国大陆广西已有少量布建4G LTE充电站实绩,而Tesla则是在2019年3月推出搭载4GLTE第3代充电站,但充电站发展仍面临充电桩规格制订、快充技术发展、电池成本等挑战,因此属於中长期导入5G的潜力应用。


大楼为城市中的巨量耗电设施之一,透过中央监控中心可掌握全建筑内的所有环境资讯,管理用电成本。为了避免因故障而停机或被骇造成资料外泄,通常不采用现有网络,然而固网的安装成本高、建置速度慢,因此存在架设LTE专网需求。如法国能源公司ENGIE考量安全因素(如同医院、政府机构、企业等),采用4G搜集建筑相关数据,汇集至智慧建筑分析平台,并结合资料模式识别与机器学习技术,模拟出建筑的能耗模式,提供大楼能源管理解决方案。而英国智慧电网公司SIG则在英国、澳洲、西班牙和爱尔兰等地,以4G物联网提供即时监控电力、能源管理服务。


目前市场上常见的智慧建筑解决方案,多数采用成本较低的LPWAN网络。但有些大楼结构较为复杂、设备管线多,属於非授权频段的Sigfox、LoRa等通讯服务容易产生干扰,有数据掉包的风险。因此重视数据采集与资安风险的企业,将成为先期采用属於授权频段的Cellular IoT通讯服务的客户,预计在5G商用化後,随着成本降低,将成为中长期潜力市场。


盘点5G导入潜力高之能源应用,多属於光纤到不了,但又有高画质影像传输、远距遥控、精密监控等需求,如无人机空中巡检、远端操控地底挖土机、微电网的电力调度等,确保服务营运的安全性(Critical),避免因中途断讯而失控,如地底挖土机失去讯号撞上矿坑内的易燃物。上述应用满足过去需求缺囗,预期可成为5G优先导入市场。然而,此类型应用属於行业特有需求,非大规模导入类型,可归类为5G能源的利基市场,其市场规模的发展有限。


相较於专业应用,城市中大部分需求集中於能源管理,透过大量物联网设备连网,搜集资讯以提供相关节能服务。虽然5G可以满足大连接之需求,且授权频宽不必担心通讯受干扰,在资料传输上较安全稳定。然而欲与具成本优势的LPWAN技术竞争,仍须等待5G技术成熟、普及,较有机会进入连网需求规模较大的市场,如电动车充电站、建筑自动化等,为中长期可观察之5G能源潜力市场。


(本文作者为资策会MIC产业分析师)


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