中國儲能網訊：近年來，全球多個國家紛紛發(fā)布碳減排目標，一時間碳達峰、碳中和成為全球“熱詞”，而碳減排目標最激進的歐洲部分國家早已給燃油車下了銷售禁令，電動汽車成為能源轉型潮中的時代“寵兒”。作為歐洲最大經濟體，德國一直是能源轉型的先鋒，其電動汽車產業(yè)的發(fā)展路線圖和對電網的影響，堪為我們的借鑒與參考。
本版文圖除署名外由 張 炅 提供（資料來源：伍德麥肯茲）
預計到2030年，德國將有800萬輛電動汽車上路，而投資快速充電站和管理充電項目將是基礎設施升級的關鍵。
交通運輸業(yè)是僅次于發(fā)電和工業(yè)的全球第三大碳排放來源，碳排放量占比近20%。雖然車輛能源效率有了大幅提高，但交通運輸業(yè)的溫室氣體排放量1970年以來已增加了逾一倍。以德國為例，2019年該國上路的卡車和轎車數量相比于30年前分別增加了71%和31%，更大、更重的汽車抵消了能源效率的提高。2019年，德國95%的新車仍然使用汽油或柴油。
作為歐洲最大的經濟體，德國在碳排放方面可以發(fā)揮重要作用。根據《巴黎協(xié)定》將全球升溫幅度控制在1.5攝氏度內并在本世界中葉實現(xiàn)碳中和的目標，德國承諾到2030年將二氧化碳排放量減少55%。雖然已有了不錯的開端，但目前的碳減排量顯然不夠。到2030年，德國的交通運輸業(yè)需要減少42%~44%的碳排放量。
發(fā)展電動汽車是實現(xiàn)碳減排目標的途徑之一。電網運營商（配電和輸電系統(tǒng)運營商）和監(jiān)管機構正就如何增加發(fā)電裝機容量進行廣泛的討論。成功的電網整合是電動汽車發(fā)展與部門耦合（能源供需耦合）的核心。但為了保障電量平衡又必須降低可能的重大風險，如電動汽車快速充電普及后，不受管理的集中充電可能使電網負荷過大。
要為未來的電動汽車提供充足的電力，需要公用事業(yè)部門、政策制定和監(jiān)管部門、電動汽車廠商和充電公司多方協(xié)作。各方都在關注和預測脫碳趨勢在微觀層面的影響，因此，了解電動汽車數量增加對未來幾年電網平均負荷和峰值負荷的影響至關重要。電網運營商需要升級電力基礎設施，包括配電線路、住宅區(qū)變電站和變壓器，以及開關設備等。充電管理項目和精確的用電規(guī)劃可以平滑電力負荷，從而節(jié)省一大筆電網擴容改造費用。
德國提升電動車普及率
背靠強大的汽車文化和生態(tài)思維傳統(tǒng)，預計德國電動汽車普及率會相對較高。德國的目標是，到2030年，將碳排放量減少55%。德國2020年的溫室氣體排放量比1990年減少了41%，超過了40%的設定目標值。但疫情導致該國2020年的溫室氣體排放量減少了1/3左右。因此，如果沒有疫情，德國不太可能實現(xiàn)碳排放目標。
面對越來越大的減排壓力，德國政府推動了替代交通方式發(fā)展和充電基礎設施建設。根據“氣候保護計劃2030”（該計劃是對德國《氣候保護法》的補充），德國政府正通過直接補貼和稅收激勵政策向交通電氣化領域投資幾十億歐元。
此外，德國針對疫情制定了經濟刺激方案，其中包括多項促進電動汽車發(fā)展的措施，如對購買電動汽車和充電樁的消費者給予大范圍的補貼、稅收優(yōu)惠和其他獎勵等。此外，德國政府為每輛電動汽車提供了高達9000歐元（約合人民幣6.7萬元）的“創(chuàng)新補貼”，使環(huán)保獎勵翻了一番，并降低了企業(yè)用車的稅率。
現(xiàn)在，德國道路上有4820萬輛乘用車和340萬輛卡車。在基準情景下，到2030年，德國將有800萬輛電動汽車在路上，包括乘用車、商用車、卡車和公交車。根據2019年10月通過的“氣候保護計劃2030”，到2030年，德國需要有700萬~1000萬輛電動汽車才能實現(xiàn)氣候目標。截至2021年1月，德國電動汽車注冊量為19.4萬輛。研究表明，700萬~1000萬輛電動汽車將占德國機動車保有量的15%，約占屆時新銷量的40%~60%。此外，根據“氣候保護計劃2030”，德國到2030年將建成100萬個公共充電站，到2050年將為公共充電設施、共享的私人充電設施及商業(yè)充電設施提供補貼。
電動汽車發(fā)展將使電網容量大增
2019年，德國用電總量為568太瓦時，過去十年，用電量平均每年下降0.4%（2010年用電總量為594太瓦時，2007年達到歷史峰值596太瓦時）。由于脫碳努力，未來用電量可能增加。目前，德國在交通和供暖兩大領域的能源轉型仍然滯后。
有研究預測了德國純電動汽車替代的幾種方案。與到2030年要實現(xiàn)電動汽車保有量達到800萬輛的基本情景相比，更具挑戰(zhàn)性的情景是，到2030年要達到1600萬輛電動汽車的保有量。預計消費者和汽車制造商都將轉向電動汽車，這也反映了歐盟提前實施燃油車禁令的要求。
在800萬輛電動汽車的基準情景下，到2030年，德國電動汽車充電需求將達到每年23太瓦時；在1600萬輛電動汽車的加速情景下，充電需求將達到每年43太瓦時。
越來越多的電動汽車充電需求將來自電動輕型商用車和電動卡車，二者占比將從2020年的28%提高到2030年的42%。乘用車仍將是最大的細分市場，到2030年，其充電需求占比將從現(xiàn)在的67%下降到55%；電動公交車充電需求占比將從3%增至5%。
考慮到電動汽車用戶的充電行為、充電時間、充電樁分布，約40%的充電將在住宅區(qū)進行、約14%的充電將在工作場所進行、約11%的充電將在高速公路服務區(qū)和公共充電站進行、約5%的充電將在商場等購物娛樂場所進行、約30%的充電將在貨車和卡車車隊進行。電動卡車普及后，充電需求將大幅增長，家用充電比例將下降?？紤]到重型車輛的使用性質和集中同時快速的充電需求，相比于家用充電，車隊和公共充電將加重電網負擔，管理起來也更困難。
預計到2030年，55%~60%的電動汽車充電仍然依靠交流充電（約23%為交流慢速充電、約35%為交流快速充電）。交流慢速充電（4千瓦~15千瓦）占比與現(xiàn)在的33%相比將減少約10個百分點；交流快速充電（15千瓦~22千瓦）占比與現(xiàn)在的39%相比將減少約5個百分點。直流快速充電將快速增長，50千瓦直流快速充電占比將在22%~27%、150千瓦直流快速充電占比約為10%?？焖俪潆姷陌l(fā)展將給電動汽車充電負荷管理帶來更大挑戰(zhàn)，電網運營商需要進一步了解平均負荷和峰值負荷。
電力基礎設施升級的關鍵
需要較多投資的基礎設施主要是電動汽車普及率較高地區(qū)的家用變壓器，此外，電路和開關設備也需要一定的投資。隨著電動汽車交流充電從目前低于4千瓦的慢速充電發(fā)展為4千瓦~15千瓦，再為15千瓦~22千瓦的交流快速充電，住宅區(qū)變壓器運行負荷會呈指數級增長。研究顯示，一旦德國有300萬輛電動汽車投用，就需要對變壓器進行大幅升級改造，而這最早可能在2025年實現(xiàn)。
同時，交流和直流充電站（轎車的直流充電率為350千瓦，重型商用車的直流充電率高達600千瓦）可能影響電網的穩(wěn)定性，多數情況下，都需要建專用變電站，或對變壓器和電纜進行大修。還有一些項目甚至為卡車提供3兆瓦的直流充電，如國際充電標準制定協(xié)會通過的中等電壓大功率商用汽車充電項目，充電電壓為1500伏，僅用20分鐘就能為卡車提供充足的動力。那么一座配備3臺大功率商用汽車充電設備和7臺350千瓦直流充電設備的10車位充電站，就需要配套建設一座容量超過10兆伏安的變電站，總建設成本高達幾百萬歐元。
有效管理
電動汽車充電時間
電力負荷曲線可以反映用戶的充電習慣。如在德國，冬季的電力負荷在18時~20時急劇增加，通常在19時達到27吉瓦以上的峰值，此時多數電動汽車車主下班回家充電。
管理車輛充電時間中最重要的是減少峰值充電，這樣可以使終端用戶的充電時間和時長更靈活，可以通過分時電價“被動地”改變用戶的充電行為，也可以通過公用事業(yè)部門或第三方集成商“主動地”遠程控制管理。
監(jiān)管機構和公用事業(yè)部門能否讓更多車主參與充電管理計劃，決定了該計劃對電網峰值負荷和所需電力基礎設施升級的影響。在充電完全不受管理的情況下，到2030年，德國峰值電力負荷需求將增加7吉瓦，比目前增加8%。
在管理充電設施和非高峰時段充電的激勵措施（延遲充電和差異化電價等）到位的前提下，大部分家庭充電可以從20時轉移到凌晨4時。這種方案可以緩解電動汽車家庭充電的電網負荷，同時商業(yè)充電、車隊充電、高速公路等公共場所的充電將不受影響。通過充電管理，不同的區(qū)域電網峰值負荷都能不同程度地下降。
電網升級路線圖
預計到2030年，電動汽車會占德國機動車保有量的15%，導致電力峰值負荷增加4%~6%。面對用電量大幅增長的挑戰(zhàn)，需要有針對性地對電網進行升級，以確保電力供應的穩(wěn)定。
在充電不受管理的情況下，僅在德國，到2030年，住宅區(qū)變壓器升級的總成本就可能超過50億歐元（約合362.57億元人民幣），而通過充電管理可大幅降低變壓器升級改造成本。此外，在用電高峰時段利用V2G（車輛到電網）技術調動電動汽車的儲能也可輔助平衡電網供需。2016年，丹麥運行的第一個商業(yè)V2G項目一直為哥本哈根提供電網頻率調節(jié)服務。
未來，德國的政府監(jiān)管部門、公用事業(yè)部門、汽車廠商和電動汽車充電公司之間需要密切合作，通過分時電價、V2G技術、規(guī)劃和投資直流快充站等方式，減輕電動汽車充電對電網的影響，這對于德國實現(xiàn)電氣化和碳減排目標至關重要。
