本文簡要介紹在Energy Policy最新發(fā)表的論文《研究電動汽車對中國電力系統(tǒng)的影響：實(shí)現(xiàn)電力部門與交通部門碳減排承諾的路徑》(Modeling the Impact of EVs in the Chinese Power System: Pathways for Implementing Emissions Reduction Commitments in the Power and Transportation Sectors)主要內(nèi)容。
該論文由重慶大學(xué)、清華大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、紐約州立大學(xué)石溪分校與耶魯大學(xué)的9位作者共同完成，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院博士研究生黎博為論文的第一作者，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院陳民鈾教授與加州大學(xué)伯克利分校Daniel Kammen教授為共同通訊作者。
一、摘要
本文研究電力與交通部門低碳轉(zhuǎn)型過程中的協(xié)同作用，通過整合電動汽車與美國加州大學(xué)伯克利分校RAEL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的SWITCH-China電力系統(tǒng)長期規(guī)劃模型，以評估電動汽車的潛在影響，包括不同電動汽車發(fā)展規(guī)模、充電策略（無序充電、智能充電）、有序充電參與度等對電力部門低碳轉(zhuǎn)型過程中的發(fā)電裝機(jī)結(jié)構(gòu)、輸電線路規(guī)劃、電網(wǎng)運(yùn)行與成本等影響。本文結(jié)果表明為使中國電力部門實(shí)現(xiàn)“低于2℃目標(biāo)”，從2020年到2050年，風(fēng)電與太陽能發(fā)電裝機(jī)的年增長量達(dá)到140GW，到2050年，非化石燃料發(fā)電量占比將達(dá)到64%。大量的可再生能源發(fā)電量將進(jìn)一步擠占煤電發(fā)電量，該文預(yù)測大約43%的煤電將在未來30年內(nèi)逐步退役。由于大量可再生能源的接入，需要大量靈活性資源（氣電與儲能）。電動汽車的大規(guī)模部署增加了對發(fā)電容量的需求，而實(shí)施智能充電能夠減少6.8％~14％的儲能裝機(jī)需求。在2050年，電力系統(tǒng)為了滿足電動汽車充電負(fù)荷所需額外年成本在￥1477/車~￥2464/車之間。同時，在同一電動汽車規(guī)模下，與無序充電對比，智能充電策略可節(jié)省年成本￥301~￥861/車。
二、背景
《巴黎協(xié)定》于2016年生效，提出全球應(yīng)共同努力，在本世紀(jì)將全球平均溫升控制在2℃以內(nèi)，而中國承諾“爭取2030年左右二氧化碳排放達(dá)峰”。碳排放達(dá)峰依賴工業(yè)、能源、交通等各個部門的貢獻(xiàn)，隨著未來人均汽車保有量的增加，交通部門碳排放的比重將逐漸增加。道路交通的全面電氣化是未來發(fā)展方向，反映了電動發(fā)電機(jī)固有的能源效率與未來成本優(yōu)勢。但是，大規(guī)模電動汽車接入電網(wǎng)會對電網(wǎng)運(yùn)行與規(guī)劃帶來了多方面的影響。在電網(wǎng)運(yùn)行層面，電動汽車作為儲能單元，在負(fù)荷高峰時可放電、負(fù)荷低谷時可充電，能夠提升電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)靈活性，進(jìn)而提升電力系統(tǒng)的可再生能源消納能力。在電力系統(tǒng)規(guī)劃層面，未來大量的電動汽車充電負(fù)荷將會對能源規(guī)劃產(chǎn)生影響。因此，如何適應(yīng)未來大規(guī)模電動汽車充電負(fù)荷的接入，通過優(yōu)化控制電動汽車并網(wǎng)方式，提升電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)靈活性，這對電力部門與交通部門的減排都具有重要意義。
三、模型介紹
本文建立了考慮電動汽車充電負(fù)荷的以省為單位的全國電網(wǎng)規(guī)劃調(diào)度模型，采用美國加州大學(xué)伯克利分校RAEL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的SWITCH-China電力系統(tǒng)長期規(guī)劃-運(yùn)行軟件進(jìn)行建模和求解，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模型的研究時間尺度為2020~2050，以省為基本單位。該研究構(gòu)建了全國發(fā)電廠數(shù)據(jù)集（火電、水電、核電、風(fēng)電、光伏、天然氣發(fā)電等電廠）、全國跨省跨區(qū)域輸電線路（包括超高壓、特高壓輸電線路）、發(fā)電技術(shù)的投資成本與運(yùn)維成本等、省級用電量預(yù)測與每日負(fù)荷需求曲線、省級燃煤、天然氣與核燃料價格預(yù)測等。最后，在不同電動汽車規(guī)模下，將各省電動汽車充電負(fù)荷嵌入到SWITCH-China電力系統(tǒng)長期規(guī)劃模型中統(tǒng)一求解。在不同電動汽車規(guī)模、碳減排約束、以及電動汽車并網(wǎng)方法（無序充電、智能充電）場景下，分析對未來電力系統(tǒng)發(fā)電、裝機(jī)結(jié)構(gòu)、輸電線路規(guī)模、電網(wǎng)運(yùn)行、碳排放與成本的影響。
圖1. 耦合電動汽車的SWITCH-China模型優(yōu)化框架
四、場景假設(shè)
本文分析兩種能源發(fā)展場景。一是Business as usual（BAU）場景（基于成本的電力基準(zhǔn)場景），以實(shí)現(xiàn)十三五規(guī)劃的相關(guān)能源目標(biāo)為預(yù)期，無碳排放約束。二是C70場景（“低于2攝氏度”場景），在BAU場景基礎(chǔ)上，增加了《巴黎協(xié)議》的2050年碳約束約目標(biāo)。
根據(jù)IEA報告，C70場景下，電力系統(tǒng)碳排放需從2014年的44億噸左右降到2050年的13億噸左右。同時在C70場景中包含了不同電動汽車規(guī)模、不同并網(wǎng)方式與不同參與度的場景。其中，在高比例電動汽車激進(jìn)場景中，電動汽車?yán)塾?jì)保有量到2050年將達(dá)到3.5億輛，占預(yù)測汽車保有量的比例56%左右。電動汽車并網(wǎng)方式包括無序充電與智能充電兩種，無序充電方式為不可控充電模式，表示電動汽車一旦到達(dá)目的地，“盡快充電”直到達(dá)到期望電量。智能充電為可控模式，表示“延時充電”策略，在一定約束范圍內(nèi)能夠控制電動汽車充電時間與充電功率。參與度表示電動汽車能夠參與有序充電的比例，場景解釋如表1所示。
表1. 場景設(shè)置
五、主要結(jié)論
1、2050年可再生能源成為核心
如圖2所示，在C70場景下，風(fēng)電與太陽能發(fā)電裝機(jī)將顯著提升，到2050年來自風(fēng)能與太陽能的發(fā)電量占全社會總發(fā)電量由BAU場景中的18%增加到C70場景中的55%。在C70場景中，從2020年到2050年，太陽能、風(fēng)電裝機(jī)的年均增量分別為0.86、0.54億千瓦。對比BAU場景，到2050年C70場景需要額外增加4億千瓦可再生能源裝機(jī)容量。在C70場景下，煤電基本退出，來自火電的發(fā)電量從目前的72%下降到2050年的6%，如圖3所示。
圖2.2050年電力系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)情況.“C70-AEV-SC-100”場景表示碳排放采用“低于2℃”、電動汽車規(guī)模采用激進(jìn)發(fā)展規(guī)模、充電方法采用智能充電（UC表示無序充電）、100表示參與智能充電的電動汽車占比為100%。
圖3. 2050年電力系統(tǒng)累計(jì)發(fā)電量情況
2、加強(qiáng)跨省跨區(qū)電網(wǎng)建設(shè)
C70場景下2050年的電網(wǎng)輸電線路容量比BAU場景中高出約44%，達(dá)到了17.74億千瓦。這表明加大電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施投資，能夠提高系統(tǒng)靈活性，中國電網(wǎng)能夠在更大的范圍內(nèi)平抑高比例可再生能源的區(qū)域性波動。
圖4. 2020-2050年不同場景下電力系統(tǒng)輸電線路累計(jì)容量（輸電線路主要考慮500kV及以上的跨省跨區(qū)輸電線路）
3、電力系統(tǒng)平衡需要大量的靈活資源
靈活的電力系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)較高的可再生能源比重。在C70場景下，到2050年光伏發(fā)電成為支柱性電源，除了輸電靈活性外，儲能技術(shù)與天然氣發(fā)電能夠極大提升系統(tǒng)靈活性，其中光伏發(fā)電-儲能裝機(jī)比例為5:1左右。煤電規(guī)模大幅降低，它與天然氣發(fā)電在平衡、調(diào)峰領(lǐng)域發(fā)揮積極作用，核電將繼續(xù)保持穩(wěn)定出力，水電體現(xiàn)季節(jié)性的輸出波動。
在激進(jìn)的電動汽車規(guī)模場景中，雖然到2050年電動汽車用電量占總用電量比例低于6%，但是其充電特性將對電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。無序充電下的充電功率主要發(fā)生在17:30~24:00，與用電峰值重合度較高；當(dāng)采用智能充電時，全國峰值負(fù)載降低了8%左右。電動汽車參與智能充電的比例越高，減少峰值負(fù)荷與提高負(fù)荷利用率的效果更加明顯。
圖5. “C70-電動汽車激進(jìn)發(fā)展規(guī)模-無序充電”場景下2050年的電網(wǎng)調(diào)度結(jié)果. 調(diào)度結(jié)果包含12個月中任意一天中的6個采樣時間點(diǎn)的調(diào)度值。
圖6. “C70-電動汽車激進(jìn)發(fā)展規(guī)模-智能充電-100%參與度”場景下2050年的電網(wǎng)調(diào)度結(jié)果. 調(diào)度結(jié)果包含12個月中任意一天中的6個采樣時間點(diǎn)的調(diào)度值。
4、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性-智能充電降低系統(tǒng)整合成本
嚴(yán)格的碳排放目標(biāo)會影響電力系統(tǒng)的投資結(jié)構(gòu)，在“低于2℃目標(biāo)”場景中，煤電基本退出，大量的新增投資主要用于可再生能源、儲能與天然氣發(fā)電。煤炭燃料費(fèi)用降低了大約92%，到2050年僅為1969億人民幣，而風(fēng)、光、儲的投資占比達(dá)到33%左右，達(dá)到2.8萬億人民幣。
本文計(jì)算了電力系統(tǒng)整合大規(guī)模電動汽車所需的額外成本，在不同電動汽車規(guī)模、充電方式、參與度下，其年整合成本為￥1477/車~￥2464/車之間。實(shí)施智能充電所需軟硬件的年成本大約為126人民幣/車，與無序充電對比，智能充電策略可節(jié)省每年￥301~￥861/車，其成本的降低主要來自減少的儲能裝機(jī)容量、燃料成本、風(fēng)光裝機(jī)容量。
5、環(huán)境-電力與交通部門整體排放
減少煤炭等化石燃料使用可順利實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)的深度脫碳。BAU場景中，CO2排放在未來持續(xù)上升，到2050年達(dá)到67.2億噸左右。C70場景中，電力部門CO2排放由2014年的44億噸左右降到2050年的13億噸左右，降幅達(dá)70%。
在激進(jìn)的電動汽車規(guī)模場景中，電動汽車充電引起的電力部門碳排放增加了0.6億左右，但是其增加程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對交通部門的碳排放降低量，如果這些電動汽車全部由燃油車替代，到2050年3.5億輛輕型燃油乘用車將排放7.25億噸CO2。電動汽車的減排效果同時也與電力清潔化有關(guān)。按照電動汽車行駛排放強(qiáng)度指標(biāo)為例，在BAU下，電動汽車行駛排放強(qiáng)度為11.24gCO2/km，在C70場景下能達(dá)到10.48gCO2/km，而燃油車排放強(qiáng)度為132gCO2/km。
六、結(jié)論
實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》需要立即行動，中國需提前部署長期能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，以“低于2℃目標(biāo)”引導(dǎo)電力-交通低碳轉(zhuǎn)型。本文指出，在未來幾十年內(nèi)，如何協(xié)調(diào)未來數(shù)億輛電動汽車與數(shù)十億千瓦的可再生能源發(fā)電的協(xié)同規(guī)劃與運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)電力與交通部門脫碳的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在短期內(nèi)，實(shí)施電動汽車替代燃油車，在交通運(yùn)輸和電力部門都需要基大量的基礎(chǔ)設(shè)施與其發(fā)展規(guī)模相匹配。另一方面，預(yù)計(jì)到 2020 年，電動汽車使用的全生命周期成本將低于內(nèi)燃機(jī)汽車，電動汽車的智能充電方式還能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供一定的靈活性，提高可再生能源比重。因此，道路交通的電氣化與電力部門的低碳能源轉(zhuǎn)型，是一條具有成本優(yōu)勢與技術(shù)潛力的減排路徑，以滿足中國未來電力部門和交通部門的減排目標(biāo)。
引文格式：
Bo Li, Ziming Ma, Patricia Hidalgo-Gonzalez, Alex Lathem, Natalie Fedorova, Gang He, Haiwang Zhong, Minyou Chen, Daniel M. Kammen. Modeling the Impact of EVs in the Chinese Power System: Pathways for Implementing Emissions Reduction Commitments in the Power and Transportation Sectors. Energy Policy. (to appear)
