電動汽車對全球能源系統(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)商和分銷商要意識到電動汽車對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劃增長量不會推動電網(wǎng)負(fù)荷需求的整體增長，從而限制了這期間對于新增裝機(jī)容量的需求。

以德國的數(shù)據(jù)為例，2030年之前，電動汽車的增長似乎不會導(dǎo)致負(fù)荷需求的大幅增加。事實上，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，比如人們在完成一天的工作之后回家，給他們的電動汽車充電。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。再用德國舉個例子，我們預(yù)計其負(fù)荷峰值會在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)荷曲線的變化卻會受到挑戰(zhàn)，因為不同地區(qū)電動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于地區(qū)電動汽車滲透率的預(yù)測表明，郊區(qū)很有可能成為早期電動汽車發(fā)展的熱點地區(qū)。因此，盡管當(dāng)前國家范圍內(nèi)電動汽車的滲透水平還比較低，依然存在部分地區(qū)擁有可觀的電動汽車保有量（圖2）。

這些住宅熱點和其他如公共電動汽車快速充電站和商業(yè)停車場等電動汽車集中充電區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)地區(qū)峰荷的顯著增長。為了預(yù)測住宅區(qū)負(fù)荷曲線的變化，本公司運用了蒙特卡洛法進(jìn)行分析。對于一個擁有150個家庭且地區(qū)電動汽車滲透率為25％的典型住宅饋線，分析結(jié)果預(yù)測峰值負(fù)荷大約會上升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。這是因為盡管一輛電動汽車很容易就能把單個家庭的峰荷加倍，多個家庭（有的家庭有電動汽車，有的沒有）的負(fù)荷整合起來則減少了變電站峰值負(fù)荷的相對增加。圖3在假設(shè)沒有延時或者“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。

來自電動汽車充電功率需求的變電站峰荷增長會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)家對于每個地區(qū)電動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)，國家層面電動汽車分布需要的基建費用服從S曲線。換句話說，盡管低電動汽車滲透率下擴(kuò)容需要的投資很少，隨著電動汽車的快速增加，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)計對于每一輛電動汽車，累計電網(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。他們可以對充電行為施加影響，比如可以通過分時電價刺激電動汽車擁有者在午夜之后而不是晚間的早些時間充電。分析指出，這樣會升高峰值負(fù)荷（圖5）。分時電價很容易實現(xiàn)且被實驗證明需要特別注意，因為如果很多人碰巧同時對電池進(jìn)行充電，就有可能導(dǎo)致某個時間點出現(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，比如同時安裝儲能單元和變壓器，在負(fù)荷低谷的時候通過變壓器向儲能單元充電。儲能單元則在負(fù)荷達(dá)到峰值時放電，這樣相對于電網(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會是一種很好的方法（比如在給貨倉供暖的同時給一批運輸車輛充電）。

隨著電池的成本快速下降，使用儲能設(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、為電動公交和卡車設(shè)計的停車場充電樁、以及當(dāng)更多電動汽車擁有者同時擁有一些屋頂光伏電池板和戶用儲能時可以設(shè)計一些住宅充電裝備。多種因素可以同時驅(qū)動安裝儲能設(shè)備這一商業(yè)行為。包括削減負(fù)荷尖峰以減少費用（由于峰荷導(dǎo)致的額外費用）和避免電網(wǎng)升級以及在特定的時間利用低電價（在電價低的時間給電池充電）。用戶也有可能通過提供柔性服務(wù)收取報酬。

盡管在電網(wǎng)升級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。比如通過改變電動汽車負(fù)載避免尖峰荷升高。對于電動汽車擁有者充電行為、駕駛和泊車習(xí)慣的觀察表明，電動汽車連接到電網(wǎng)的相當(dāng)長時間里并沒有進(jìn)行充電。這一比例可能從私人、居民電動汽車充電的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)造價值。首先，它可以實現(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)電有余量的時候進(jìn)行充電或者在其不足時減少充電。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形式是v2g計劃，它不僅可以改變電動汽車產(chǎn)生的電力需求，也可以使得特定情況下電動汽車向電網(wǎng)返送電力成為可能。駕駛員培訓(xùn)已經(jīng)證明了電動汽車所有者參與協(xié)調(diào)智能充電的切實意愿。根絕各地區(qū)的實際情況，由此產(chǎn)生的整體價值可達(dá)到每輛電動汽車每年幾百歐元。

為了實現(xiàn)這些優(yōu)勢，能源行業(yè)從業(yè)者們必須對智能充電設(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)得到角度來說電動汽車就不再會成為令人擔(dān)心的一個因素了。相反，他們可以使電力系統(tǒng)的成本效益更好，更堅強，也更綠色，為系統(tǒng)創(chuàng)造更多收益。

行駛的電動汽車的預(yù)期增長對電力公司是一種挑戰(zhàn)。雖然2030年前他們不會造成潛在的負(fù)荷需求的增加，卻會重塑負(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)量日益增長的電動汽車，從而給電力系統(tǒng)帶來實實在在的益處。

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