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能源應用之未來次世代行動應用前瞻
 

【作者: 甘岱右】   2019年08月02日 星期五

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面對5G時代來臨,主要國家陸續釋出頻譜,推動5G網路服務商用化,而我國原定於2020年釋出頻譜,也預計提早至2019年底或2020年1月完成頻譜競標與釋照作業,希望協助業者盡早布局5G市場。



圖一 : 時至5G,不僅是網速的提升,而可支援訴求大規模機器通訊、增強型行動寬頻、超可靠且低延遲通訊等,更多元的應用服務情境。(source:gupy.io)
圖一 : 時至5G,不僅是網速的提升,而可支援訴求大規模機器通訊、增強型行動寬頻、超可靠且低延遲通訊等,更多元的應用服務情境。(source:gupy.io)

從4G進入至5G,不僅是網速的提升,而可支援訴求大規模機器通訊(mMTC)、增強型行動寬頻(eMBB)、超可靠且低延遲通訊(uRLLC)等更多元的應用服務情境。以能源應用情境為例,三大特性分別對應大規模電表聯網、離岸風電廠的無人機巡檢、遠程操控礦場的挖土機等。


5G能源潛在應用範疇,從發電源頭如煤礦坑、油井、天然氣田、風電廠及太陽能發電廠等,至輸配電網,最後到用電端如住宅、建築和工廠各項用電設備的能源管理,以及城市中的用電規模較大之設備如路燈、電動車充電樁等。



圖二 : 現有能源應用可透過5G聯網大幅改善現有服務效能,如遠程操控機械。(source:Verizon)
圖二 : 現有能源應用可透過5G聯網大幅改善現有服務效能,如遠程操控機械。(source:Verizon)

雖然能源應用範疇涵蓋廣泛,但普遍以低功耗廣域物聯網技術(LPWAN)即能滿足大量設備聯網需求,如設備維護、耗能管理等應用,在短期發展上非採用5G之首選。因此本文所指稱之5G能源潛在應用,係指現有能源應用可透過5G聯網大幅改善現有服務效能,如遠程操控機械;或因為5G網路開始普及,讓目前以3G/4G或蜂巢式物聯網(Cellular IoT)解決方案自然升級至5G,如智慧電表。


根據上述定義,MIC預估2026年全球5G能源市場規模將達216.5億美元,其中通訊專網、無人機巡檢、智慧電網等屬於短期內可較快實現並商用之5G潛力應用,而中長期具備較大規模市場之潛力應用為建築自動化、電動車充電站等。



圖三 : 全球能源應用導入5G市場分析   (source:資策會MIC,2019/05)
圖三 : 全球能源應用導入5G市場分析 (source:資策會MIC,2019/05)

註:圓圈大小為各應用在2026年預測之市場規模示意


短期實現可能性較高之5G能源應用

油電礦場通常位於人煙稀少處,布滿大型機具與設備,每日人工巡檢既費時也費力,且肉眼有其限制,難以快速精確地掌握個別機具的運作情況,因此無法針對機具提早發布預測告警。以發電廠為例,由於同時有數十台渦輪機運作,每台渦輪機耗損情形各有不同,一旦發生意外停機,將損失高額維修成本。又如具高工安風險的採礦業,由於礦場不是在地下深處,就是在難以靠近的偏遠區域,若無架設網路服務,將無法即時監控礦廠運作情況,當然也就不易提早針對異常狀況發出告警,讓人員暴露在高風險環境下工作。


然而,油電礦場因所處地理位置的特殊性,布建有線網路不易、耗時且成本高。因此,以免挖線路或架設纜線之無線網路為首選,快速導入網路服務。基於營運成本降低與人員作業安全的保障,目前在美國、加拿大、澳洲、中國大陸、印尼等處均有導入4G LTE建置油井、煤礦等專網實績。預計未來5G商用化後,除了提供實時遠距視訊監控、異常預警,還可實現無人機巡檢、遠端操控機械、AR/VR檢修指導等,將大幅提升油電礦場營運效率、降低維護成本與工安意外。


油電礦場中通常布滿大量輸油管線、天然氣管道和大型設備機具,為確保營運順暢與作業安全,避免漏油、甲烷等氣體外洩、機具意外故障等,需要定期巡檢。然而,廠區幅員廣闊,有些石油鑽井平台甚至位在海上,或是像電塔、風力發電機等屬於高聳大型機具,僅靠人工巡檢仍有不足,不僅效率低且危險度高。5G無人機在此情境下,可提供空中巡檢,透過即時回傳大量清晰的遠端影像(如4K影像),可全面且精確的掌握廠區內的管線、油井、機具等運作情況。


以風力發電機為例,扇葉上若有汙垢、漏油、鹽晶、昆蟲屍體等堆積或缺口損壞,將影響發電效率。為確保清潔維護工作的落實,並及早發現扇葉上的微小損傷,可運用無人機影像辨識與熱成像分析,快速偵測並定位故障處,方便維修人員前往維修,大幅提升巡檢效率。根據美國科技公司CBINSIGHTS報導,5G無人機應用於電網巡檢,預測可減少30%營運成本。


除了設備管線巡檢外,無人機也可透過空拍影像,進行油電礦場的整體規劃。如伊朗採礦公司Koomeh Mine Pars於伊朗Bardaskan市的銅礦場區,透過無人機空拍,建立礦區3D模型並計算礦藏量,提高採礦效率。



圖四 : 透過5G高可靠、低延遲特性,除了可協助微電網精準掌握各個用戶在各個時間點的用電需求。(source:itweb.co.za)
圖四 : 透過5G高可靠、低延遲特性,除了可協助微電網精準掌握各個用戶在各個時間點的用電需求。(source:itweb.co.za)

目前日本電信公司KDDI、以色列專網業者Mobilicom皆有與無人機業者合作實績,架設4G LTE專網提供無人機操控運行,且商用無人機已投入市場。2019年加拿大地理資訊視覺化軟體公司Kongsberg Geospatial與非洲無人機公司Aerial Robotix合作,提供奈及利亞無人機巡視石油與天然氣管線服務。預期5G商用化後,將直接從Wi-Fi轉到5G網路。


各用戶在各個時間點所需電量不同,在發電容量有限下,須有效率分配電力,避免大面積停電。基於電力有限與安全性考量,電力輸配系統必須能精準調度,一般而言,傳統電網(屬集中式電網)為確保輸配電的運作效率,通常會自行搭建光纖網路,以便即時掌握各區電力輸配狀況,也能迅速因應緊急狀況的發生。但隨著人們越來越關心環境永續與綠能技術的發展,供電結構逐漸從集中式轉為分散式,微電網需求漸增。


相較於集中式電網,微電網的發電端靠近用戶,如屋頂上的太陽能板或近海社區旁有風力發電機,不僅可減少電力傳輸的損耗,也有機會發展出電力自給自足的社區,對於離島、山區、偏遠郊區或易遭風災或淹水等區域具有吸引力。然而這些區域的地理位置特殊,光纖網路無法到達,因此存在5G導入需求。



圖五 : 透過5G高可靠、低延遲特性,除了可協助微電網精準掌握各個用戶在各個時間點的用電需求。(source:SAGE Automation)
圖五 : 透過5G高可靠、低延遲特性,除了可協助微電網精準掌握各個用戶在各個時間點的用電需求。(source:SAGE Automation)

透過5G高可靠、低延遲特性,除了可協助微電網精準掌握各個用戶在各個時間點的用電需求,未來甚至能預測下次尖峰發生時間與地點,搭配時間電價或需量反應機制,透過使用者付費及節電獎勵,在有限的綠電供給下,達到社區電力的供需平衡。目前中國大陸、義大利、巴西、瑞典等地均有採4G LTE建置電網專網實績,且儲能成本預計於2025年減半,屆時將成為導入5G潛力應用之一。


中長期較有機會實現之5G能源應用

由於反空汙、注重綠色永續生活逐漸為全球共識,2030年各國開始陸續禁售燃油車,勢必加速電動車的推行,而充電站為其普及之關鍵。雖然充電站與停車位概念類似,但充電站的拓展多了配電設施與能源管理,基於快速鋪設與有效監控各充電站運作,導入5G可免除布建有線網路困擾,大量快速擴充站點,並提供收費、配電等複雜的維護管理,甚至藉由充電站所蒐集相關數據分析,未來還可針對駕駛在等待充電時間設計服務,如Wi-Fi、廣告、休息站等。


而充電站為城市中主要供電設施之一,若與太陽能等再生能源發電結合,還可作更小型的區域微電網。搭配儲能系統建置,未來充電站也有機會在無電動車充電的離峰時間或在電費過高的時候,將充電站的儲能反饋至中央電網,賺取價差。此時,在電力調度方面,存在低延遲通訊需求,提供電網實時掌握各處用電需求,避免電力調度不及,造成缺電或因大量電力回傳造成電網不堪負荷等意外發生。


雖然美國加州、中國大陸廣西已有少量布建4G LTE充電站實績,而Tesla則是在2019年3月推出搭載4GLTE第3代充電站,但充電站發展仍面臨充電樁規格制訂、快充技術發展、電池成本等挑戰,因此屬於中長期導入5G的潛力應用。


大樓為城市中的巨量耗電設施之一,透過中央監控中心可掌握全建築內的所有環境資訊,管理用電成本。為了避免因故障而停機或被駭造成資料外洩,通常不採用現有網絡,然而固網的安裝成本高、建置速度慢,因此存在架設LTE專網需求。如法國能源公司ENGIE考量安全因素(如同醫院、政府機構、企業等),採用4G蒐集建築相關數據,匯集至智慧建築分析平台,並結合資料模式識別與機器學習技術,模擬出建築的能耗模式,提供大樓能源管理解決方案。而英國智慧電網公司SIG則在英國、澳洲、西班牙和愛爾蘭等地,以4G物聯網提供即時監控電力、能源管理服務。


目前市場上常見的智慧建築解決方案,多數採用成本較低的LPWAN網絡。但有些大樓結構較為複雜、設備管線多,屬於非授權頻段的Sigfox、LoRa等通訊服務容易產生干擾,有數據掉包的風險。因此重視數據採集與資安風險的企業,將成為先期採用屬於授權頻段的Cellular IoT通訊服務的客戶,預計在5G商用化後,隨著成本降低,將成為中長期潛力市場。


盤點5G導入潛力高之能源應用,多屬於光纖到不了,但又有高畫質影像傳輸、遠距遙控、精密監控等需求,如無人機空中巡檢、遠端操控地底挖土機、微電網的電力調度等,確保服務營運的安全性(Critical),避免因中途斷訊而失控,如地底挖土機失去訊號撞上礦坑內的易燃物。上述應用滿足過去需求缺口,預期可成為5G優先導入市場。然而,此類型應用屬於行業特有需求,非大規模導入類型,可歸類為5G能源的利基市場,其市場規模的發展有限。


相較於專業應用,城市中大部分需求集中於能源管理,透過大量物聯網設備連網,蒐集資訊以提供相關節能服務。雖然5G可以滿足大連接之需求,且授權頻寬不必擔心通訊受干擾,在資料傳輸上較安全穩定。然而欲與具成本優勢的LPWAN技術競爭,仍須等待5G技術成熟、普及,較有機會進入連網需求規模較大的市場,如電動車充電站、建築自動化等,為中長期可觀察之5G能源潛力市場。


(本文作者為資策會MIC產業分析師)


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