電動(dòng)汽車對(duì)全球能源系統(tǒng)的潛在影響

因地制宜修改負(fù)荷曲線的方法

電動(dòng)汽車的發(fā)展有可能很快就遇到新的瓶頸了么？

隨著交通工具電氣化的加速，能源供應(yīng)商和分銷商要意識(shí)到電動(dòng)汽車對(duì)于電力需求的潛在影響力（圖1）。好消息是：麥肯錫咨詢的分析師認(rèn)為直到本世紀(jì)中葉電氣化交通工具的計(jì)劃增長量不會(huì)推動(dòng)電網(wǎng)負(fù)荷需求的整體增長，從而限制了這期間對(duì)于新增裝機(jī)容量的需求。

以德國的數(shù)據(jù)為例，2030年之前，電動(dòng)汽車的增長似乎不會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷需求的大幅增加。事實(shí)上，負(fù)荷只增加了1％，需要新增5GW的發(fā)電裝機(jī)容量。這一數(shù)字將在2050年增加4％，需要額外20GW的裝機(jī)容量。幾乎所有這些新增的裝機(jī)都涉及可再生能源，包括風(fēng)電和光伏，以及天然氣發(fā)電機(jī)組。

重塑電力負(fù)荷曲線

盡管電動(dòng)汽車銷量的增加不太可能引起負(fù)荷需求的顯著增加，卻的確有可能重塑電力負(fù)荷曲線。最顯著的影響就是晚間峰荷的增長，比如人們?cè)谕瓿梢惶斓墓ぷ髦蠡丶?，給他們的電動(dòng)汽車充電。然而，在系統(tǒng)層面上，這種行為最多只造成百分之幾的影響。再用德國舉個(gè)例子，我們預(yù)計(jì)其負(fù)荷峰值會(huì)在2030年上漲約1％，2050年上漲5％，系統(tǒng)基本可以消納這樣規(guī)模的增長。

然而，地區(qū)層面負(fù)荷曲線的變化卻會(huì)受到挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌貐^(qū)電動(dòng)汽車的增速是有差異的的，有些情況下差距更甚。麥肯錫咨詢公司公司的空間分析師對(duì)于地區(qū)電動(dòng)汽車滲透率的預(yù)測(cè)表明，郊區(qū)很有可能成為早期電動(dòng)汽車發(fā)展的熱點(diǎn)地區(qū)。因此，盡管當(dāng)前國家范圍內(nèi)電動(dòng)汽車的滲透水平還比較低，依然存在部分地區(qū)擁有可觀的電動(dòng)汽車保有量（圖2）。

這些住宅熱點(diǎn)和其他如公共電動(dòng)汽車快速充電站和商業(yè)停車場(chǎng)等電動(dòng)汽車集中充電區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)地區(qū)峰荷的顯著增長。為了預(yù)測(cè)住宅區(qū)負(fù)荷曲線的變化，本公司運(yùn)用了蒙特卡洛法進(jìn)行分析。對(duì)于一個(gè)擁有150個(gè)家庭且地區(qū)電動(dòng)汽車滲透率為25％的典型住宅饋線，分析結(jié)果預(yù)測(cè)峰值負(fù)荷大約會(huì)上升30％（圖3）。

盡管住宅區(qū)峰值負(fù)荷的上漲十分明顯，卻沒有想象的那么夸張。這是因?yàn)楸M管一輛電動(dòng)汽車很容易就能把單個(gè)家庭的峰荷加倍，多個(gè)家庭（有的家庭有電動(dòng)汽車，有的沒有）的負(fù)荷整合起來則減少了變電站峰值負(fù)荷的相對(duì)增加。圖3在假設(shè)沒有延時(shí)或者“智能”（即集中控制的）充電的情況下闡釋了一典型變電站電動(dòng)汽車負(fù)荷的峰值和平均值。

除了峰值負(fù)荷的增長，公共快速充電站的負(fù)荷具有波動(dòng)性和沖激性，也需要額外的系統(tǒng)容量進(jìn)行平抑。我們通過模擬快速充電站的負(fù)荷曲線更細(xì)致地研究了這種情況（圖4）。在這種情況下，一個(gè)單一快速充電站可能很快就超過了典型饋線變壓器的最大容量。

來自電動(dòng)汽車充電功率需求的變電站峰荷增長會(huì)最終不可控地超過配電變壓器最大容量，需要增容。把麥肯錫咨詢公司地理學(xué)家對(duì)于每個(gè)地區(qū)電動(dòng)汽車滲透率的分布和當(dāng)前變壓器的使用數(shù)據(jù)結(jié)合起來可以發(fā)現(xiàn)，國家層面電動(dòng)汽車分布需要的基建費(fèi)用服從S曲線。換句話說，盡管低電動(dòng)汽車滲透率下擴(kuò)容需要的投資很少，隨著電動(dòng)汽車的快速增加，該投資將迅速增加，最終在高滲透率水平下達(dá)到飽和。在未經(jīng)修正的情況下，我們預(yù)計(jì)對(duì)于每一輛電動(dòng)汽車，累計(jì)電網(wǎng)投資可能達(dá)到數(shù)百歐元。

潛在的解決方案

能源行業(yè)從業(yè)者有多種方法走出困境。他們可以對(duì)充電行為施加影響，比如可以通過分時(shí)電價(jià)刺激電動(dòng)汽車擁有者在午夜之后而不是晚間的早些時(shí)間充電。分析指出，這樣會(huì)升高峰值負(fù)荷（圖5）。分時(shí)電價(jià)很容易實(shí)現(xiàn)且被實(shí)驗(yàn)證明需要特別注意，因?yàn)槿绻芏嗳伺銮赏瑫r(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電，就有可能導(dǎo)致某個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)荷尖峰。

此外，從業(yè)人員可以設(shè)置更多的地區(qū)解決方案，比如同時(shí)安裝儲(chǔ)能單元和變壓器，在負(fù)荷低谷的時(shí)候通過變壓器向儲(chǔ)能單元充電。儲(chǔ)能單元?jiǎng)t在負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)放電，這樣相對(duì)于電網(wǎng)來說即相當(dāng)于削減了峰荷。另外一種方法是使用小型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備，在當(dāng)?shù)卮嬖跓嵩葱枨髸r(shí)會(huì)是一種很好的方法（比如在給貨倉供暖的同時(shí)給一批運(yùn)輸車輛充電）。

隨著電池的成本快速下降，使用儲(chǔ)能設(shè)備平滑負(fù)荷曲線越來越具有吸引力。其他應(yīng)用包括公共快速充電樁、為電動(dòng)公交和卡車設(shè)計(jì)的停車場(chǎng)充電樁、以及當(dāng)更多電動(dòng)汽車擁有者同時(shí)擁有一些屋頂光伏電池板和戶用儲(chǔ)能時(shí)可以設(shè)計(jì)一些住宅充電裝備。多種因素可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)安裝儲(chǔ)能設(shè)備這一商業(yè)行為。包括削減負(fù)荷尖峰以減少費(fèi)用（由于峰荷導(dǎo)致的額外費(fèi)用）和避免電網(wǎng)升級(jí)以及在特定的時(shí)間利用低電價(jià)（在電價(jià)低的時(shí)間給電池充電）。用戶也有可能通過提供柔性服務(wù)收取報(bào)酬。

盡管在電網(wǎng)升級(jí)或者替代的措施方面進(jìn)行投資是不可避免的，相關(guān)企業(yè)依然可以通過追尋他們的根原因?qū)Υ诉M(jìn)行大幅削減。比如通過改變電動(dòng)汽車負(fù)載避免尖峰荷升高。對(duì)于電動(dòng)汽車擁有者充電行為、駕駛和泊車習(xí)慣的觀察表明，電動(dòng)汽車連接到電網(wǎng)的相當(dāng)長時(shí)間里并沒有進(jìn)行充電。這一比例可能從私人、居民電動(dòng)汽車充電的80％到公共充電行為的25％不等。這種情況為改變充電負(fù)載從而從系統(tǒng)的角度優(yōu)化充電時(shí)間和速度提供了可能，進(jìn)而使充電智能化。

智能掌握充電行為以創(chuàng)造價(jià)值

集中調(diào)控、智能操縱充電行為可以通過多種方法創(chuàng)造價(jià)值。首先，它可以實(shí)現(xiàn)更有效的“削峰”并由此大幅減少電網(wǎng)投資。其次，它可以實(shí)現(xiàn)削峰之外的負(fù)荷曲線調(diào)整以優(yōu)化發(fā)電成本（從峰荷發(fā)電需求變?yōu)榛砂l(fā)電需求）。此外，在風(fēng)電和光伏發(fā)電有余量的時(shí)候進(jìn)行充電或者在其不足時(shí)減少充電。最后，通過提供需求響應(yīng)服務(wù)，智能充電可以提供有價(jià)值的系統(tǒng)平衡（頻率響應(yīng)）服務(wù)。

這種方法的另一種高級(jí)形式是v2g計(jì)劃，它不僅可以改變電動(dòng)汽車產(chǎn)生的電力需求，也可以使得特定情況下電動(dòng)汽車向電網(wǎng)返送電力成為可能。駕駛員培訓(xùn)已經(jīng)證明了電動(dòng)汽車所有者參與協(xié)調(diào)智能充電的切實(shí)意愿。根絕各地區(qū)的實(shí)際情況，由此產(chǎn)生的整體價(jià)值可達(dá)到每輛電動(dòng)汽車每年幾百歐元。

為了實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)，能源行業(yè)從業(yè)者們必須對(duì)智能充電設(shè)備進(jìn)行一些先期投資，并和其他利益相關(guān)者達(dá)成有效合作。但是一旦建立了這些目標(biāo)，從電網(wǎng)得到角度來說電動(dòng)汽車就不再會(huì)成為令人擔(dān)心的一個(gè)因素了。相反，他們可以使電力系統(tǒng)的成本效益更好，更堅(jiān)強(qiáng)，也更綠色，為系統(tǒng)創(chuàng)造更多收益。

行駛的電動(dòng)汽車的預(yù)期增長對(duì)電力公司是一種挑戰(zhàn)。雖然2030年前他們不會(huì)造成潛在的負(fù)荷需求的增加，卻會(huì)重塑負(fù)荷曲線，從而給電網(wǎng)增加新的限制。本文提出的建議可以幫助能源行業(yè)的玩家們戰(zhàn)勝這一挑戰(zhàn)，有效整合數(shù)量日益增長的電動(dòng)汽車，從而給電力系統(tǒng)帶來實(shí)實(shí)在在的益處。

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