當(dāng)談起新能源汽車(chē)行業(yè)，大多數(shù)人對(duì)它的認(rèn)知可能是“新能源汽車(chē)的普及可以極大程度促進(jìn)可再生能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展”。然而通過(guò)分析英國(guó)現(xiàn)有的電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，我們卻可以得出不同的結(jié)論：“新能源汽車(chē)在可再生能源消納方面的作用是有限的。并且它的普及會(huì)要求電網(wǎng)被動(dòng)擴(kuò)容，從而增大了電網(wǎng)資產(chǎn)的投資風(fēng)險(xiǎn)?！?
1.行業(yè)背景與大眾觀點(diǎn)
當(dāng)談到新能源汽車(chē)行業(yè)，絕大多數(shù)人第一時(shí)間想到的或許是酷炫的特斯拉和“深耕”多年的比亞迪。除此之外，歐美和日韓的老牌汽車(chē)廠商也意識(shí)到汽車(chē)電氣化的浪潮已然不可避免，紛紛發(fā)力，推出了例如寶馬的i3和豐田的Prius等暢銷(xiāo)車(chē)型。與此同時(shí)，作為電動(dòng)汽車(chē)“燃料”來(lái)源的電力行業(yè)，也正經(jīng)歷著由光伏，風(fēng)電和核電等“清潔”能源技術(shù)去替代傳統(tǒng)火電的更新?lián)Q代。新能源汽車(chē)的普及會(huì)提升社會(huì)的整體用電量，這一點(diǎn)是毫無(wú)疑問(wèn)的。
由于很多國(guó)家電力需求增長(zhǎng)已經(jīng)或開(kāi)始乏力，所以不光是在經(jīng)歷著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的中國(guó)，即便在發(fā)達(dá)國(guó)家，電動(dòng)汽車(chē)充電所帶來(lái)的額外負(fù)荷也都顯得彌足珍貴。此外，對(duì)于快速發(fā)展的可再生能源行業(yè)，絕大多數(shù)國(guó)家始終采取著優(yōu)先保證可再生能源發(fā)電足額上網(wǎng)的政策。但是由于電力需求增長(zhǎng)緩慢，同時(shí)網(wǎng)架約束使得電力無(wú)法外送，可再生能源也存在著消納困難，棄風(fēng)棄光的問(wèn)題。與此同時(shí)傳統(tǒng)火電的上網(wǎng)小時(shí)數(shù)也在被不斷壓縮，行業(yè)利潤(rùn)損失嚴(yán)重。所以很多人的觀點(diǎn)也是：新能源汽車(chē)能幫助消納可再生能源發(fā)電，緩解火力發(fā)電和可再生能源行業(yè)之間的矛盾，從而極大程度的促進(jìn)可再生能源行業(yè)的發(fā)展。然而事實(shí)是否如此呢？筆者將會(huì)根據(jù)英國(guó)電網(wǎng)給出的數(shù)據(jù)對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行分析。
2.可再生能源的消納難題
時(shí)間層面
說(shuō)起可再生能源發(fā)電技術(shù)，其最大的短板便是發(fā)電量的不穩(wěn)定與難預(yù)測(cè)。除此之外，光伏發(fā)電也受日光時(shí)間影響，無(wú)法做到恒定供電。根據(jù)英國(guó)電網(wǎng)的分析數(shù)據(jù)[1] ，電動(dòng)汽車(chē)在冬季的充電量分布會(huì)如圖一所示。從圖中我們可以注意到，電動(dòng)汽車(chē)在白天的充電比例是較低的，例如6:00-18:00之間的充電量只占全天總充電量的33%。而如之前提到的，光伏發(fā)電也只能在日光照射下實(shí)現(xiàn)。所以我們可以得出電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)于光伏發(fā)電消納的幫助是有限的。另外風(fēng)電的發(fā)電時(shí)間也較為隨機(jī)，所以充電與發(fā)電的匹配將成為一大難題。
數(shù)量層面
如果我們拋開(kāi)發(fā)電與充電時(shí)間匹配的問(wèn)題不談，假設(shè)他們能完美匹配，那么電動(dòng)汽車(chē)充電能耗能幫助消納多大比例的可再生能源發(fā)電呢？圖二描繪了英國(guó)電網(wǎng)對(duì)于未來(lái)二十年風(fēng)光發(fā)電總量和電動(dòng)汽車(chē)充電需求的預(yù)測(cè)[1]。我們可以注意到，即便到2035年，電動(dòng)汽車(chē)能耗總量也只相當(dāng)于風(fēng)光發(fā)電總量的18%。那么這么低的數(shù)字是否是由于電動(dòng)汽車(chē)普及速度較慢造成的呢？其實(shí)不然。圖三對(duì)比了未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)增長(zhǎng)數(shù)量[1]以及英國(guó)總汽車(chē)保有量(考慮1%的年增長(zhǎng)率)。我們可以注意到到2035年，電動(dòng)汽車(chē)保有量可達(dá)到八百三十萬(wàn)輛，且占了汽車(chē)總量的約20%。這個(gè)普及程度的預(yù)估應(yīng)該可以說(shuō)是絕不保守的。所以在如此大的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量前提下，即便不考慮充發(fā)匹配，其所帶來(lái)的增加負(fù)載對(duì)消納可再生能源發(fā)電的作用也應(yīng)該來(lái)說(shuō)是比較有限的。
3.充電設(shè)施帶來(lái)的電網(wǎng)運(yùn)維難題
配電網(wǎng)
雖然電動(dòng)汽車(chē)能夠一定程度上幫助消納可再生能源。但是其充電活動(dòng)所帶來(lái)的功率增長(zhǎng)也會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的便是配變電設(shè)備的擴(kuò)容要求。在居民社區(qū)使用典型的3kVA到7kVA充電樁會(huì)增加局域電網(wǎng)負(fù)載。尤其考慮到車(chē)主的充電習(xí)慣是下班回家后便插上電源開(kāi)始充電，那么在無(wú)控制的前提下配電網(wǎng)必然會(huì)迎來(lái)一段充電高峰。然而英國(guó)電網(wǎng)在早期設(shè)計(jì)和鋪設(shè)線路時(shí)，并未考慮未來(lái)會(huì)出現(xiàn)如此高密度的負(fù)荷增長(zhǎng)，其所評(píng)估的用戶(hù)分集后最大電力需求僅為2kVA每戶(hù)，如圖四所示[2]。我們可以注意到電熱泵和充電樁所帶來(lái)的增加負(fù)載會(huì)極大程度增加配電網(wǎng)的壓降，導(dǎo)致終端用戶(hù)電壓過(guò)低和電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題。所以充電樁的部署可能會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)設(shè)備在設(shè)計(jì)壽命未到之前便被要求更換，從而導(dǎo)致資產(chǎn)投資回報(bào)低于預(yù)期。
發(fā)電側(cè)
當(dāng)然，不光配電網(wǎng)會(huì)受到這種“整齊劃一”的充電行為所影響，發(fā)電側(cè)也會(huì)受到一定程度的沖擊。從圖一中我們其實(shí)就可以注意到充電的主要時(shí)間是集中在18:00-24:00，而這也與系統(tǒng)高峰時(shí)段相重合。圖五就對(duì)比了英國(guó)未來(lái)二十年的充電活動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)峰值增加的貢獻(xiàn)以及系統(tǒng)內(nèi)可靠機(jī)組的總?cè)萘縖1]?？梢园l(fā)現(xiàn)，在像英國(guó)這種富余機(jī)組不多的系統(tǒng)中，充電所帶來(lái)的額外峰值到2035年可占機(jī)組重容量的8.4%。這也讓英國(guó)政府在進(jìn)行能源規(guī)劃時(shí)不得不考慮增加可靠常規(guī)機(jī)組，以應(yīng)對(duì)不斷上漲的系統(tǒng)需求，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。
4.解決策略
前兩章節(jié)中，新能源汽車(chē)對(duì)可再生能源消納方面的有限貢獻(xiàn)以及對(duì)電網(wǎng)運(yùn)維帶來(lái)的困難。那么有哪些措施可以幫助緩解或解決這些困難呢？
首當(dāng)其沖的應(yīng)是發(fā)展多樣化的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)。其實(shí)電動(dòng)汽車(chē)只是新能源汽車(chē)行業(yè)的分支。以氫能源和天然氣為燃料的燃料電池汽車(chē)也應(yīng)成為大力推進(jìn)的發(fā)展方向。增加可再生能源消納的手段，引入天然氣管網(wǎng)等其他能源網(wǎng)絡(luò)，從而在新能源汽車(chē)行業(yè)實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)。
其次的便是通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)間進(jìn)行合理規(guī)劃，幫助削峰填谷。由于絕大多數(shù)人使用電動(dòng)汽車(chē)只是滿(mǎn)足日常出行，所以每天總耗電量并不高，使得每輛車(chē)的充電時(shí)間較短，只有幾小時(shí)。而通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)，跟車(chē)主進(jìn)行溝通，合理規(guī)劃充電時(shí)間段能夠極大的減輕配電網(wǎng)和發(fā)電側(cè)的負(fù)擔(dān)。而對(duì)于增量配網(wǎng)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，從一開(kāi)始做好需求側(cè)響應(yīng)的設(shè)備布置，減少系統(tǒng)峰值，也能減輕前期配網(wǎng)資產(chǎn)投資，獲取更加合理的收益。
最后關(guān)于可再生能源發(fā)電的消納問(wèn)題，也可以通過(guò)發(fā)電側(cè)與充電側(cè)的充分溝通，調(diào)整充電時(shí)間來(lái)幫助消納多余的發(fā)電量，減少棄水，棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象。與此同時(shí)，利用新能源汽車(chē)的儲(chǔ)能屬性，提供系統(tǒng)的調(diào)頻和備用容量等輔助服務(wù)，為高可再生能源接入比例的電網(wǎng)提供支持。
只有這樣，新能源汽車(chē)的潛在價(jià)值才能被徹底挖掘，在電網(wǎng)運(yùn)行中最大程度的發(fā)出自己的“光與熱”。
關(guān)于V2G，寫(xiě)在文章之后的一段話(huà)
其實(shí)關(guān)于火熱的V2G技術(shù)(也就是電動(dòng)車(chē)“反哺”電網(wǎng))，筆者一直心存疑慮。在IEEE頂級(jí)transactions上，比如Power Systems, Smart Grid, Sustainable Energy等期刊，我讀過(guò)不少V2G的文章，甚至自己手上也有電動(dòng)車(chē)負(fù)載模型。但是我發(fā)現(xiàn)作者大大們會(huì)普遍省略一個(gè)問(wèn)題：“V2G技術(shù)對(duì)電池壽命的損傷有多大(degradation)？”當(dāng)然，這個(gè)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)模擬來(lái)說(shuō)，不重要，或者說(shuō)不好答。但是想要真正推廣V2G，讓車(chē)主愿意將自己的愛(ài)車(chē)交給電網(wǎng)去控制，并通過(guò)反充電網(wǎng)來(lái)提供輔助服務(wù)，恐怕這筆賬必須得“說(shuō)清楚，算明白了”。
