中國儲能網(wǎng)訊：近年來，全球多個(gè)國家紛紛發(fā)布碳減排目標(biāo)，一時(shí)間碳達(dá)峰、碳中和成為全球“熱詞”，而碳減排目標(biāo)最激進(jìn)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(zhuǎn)型潮中的時(shí)代“寵兒”。作為歐洲最大經(jīng)濟(jì)體，德國一直是能源轉(zhuǎn)型的先鋒，其電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線圖和對電網(wǎng)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(yù)計(jì)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(xiàng)目將是基礎(chǔ)設(shè)施升級的關(guān)鍵。
交通運(yùn)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(yùn)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(shù)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(jīng)濟(jì)體，德國在碳排放方面可以發(fā)揮重要作用。根據(jù)《巴黎協(xié)定》將全球升溫幅度控制在1.5攝氏度內(nèi)并在本世界中葉實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，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(cuò)的開端，但目前的碳減排量顯然不夠。到2030年，德國的交通運(yùn)輸業(yè)需要減少42%~44%的碳排放量。
發(fā)展電動汽車是實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的途徑之一。電網(wǎng)運(yùn)營商（配電和輸電系統(tǒng)運(yùn)營商）和監(jiān)管機(jī)構(gòu)正就如何增加發(fā)電裝機(jī)容量進(jìn)行廣泛的討論。成功的電網(wǎng)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(fēng)險(xiǎn)，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(wǎng)負(fù)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(guān)注和預(yù)測脫碳趨勢在微觀層面的影響，因此，了解電動汽車數(shù)量增加對未來幾年電網(wǎng)平均負(fù)荷和峰值負(fù)荷的影響至關(guān)重要。電網(wǎng)運(yùn)營商需要升級電力基礎(chǔ)設(shè)施，包括配電線路、住宅區(qū)變電站和變壓器，以及開關(guān)設(shè)備等。充電管理項(xiàng)目和精確的用電規(guī)劃可以平滑電力負(fù)荷，從而節(jié)省一大筆電網(wǎng)擴(kuò)容改造費(fèi)用。
德國提升電動車普及率
背靠強(qiáng)大的汽車文化和生態(tài)思維傳統(tǒng)，預(yù)計(jì)德國電動汽車普及率會相對較高。德國的目標(biāo)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(shè)定目標(biāo)值。但疫情導(dǎo)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(shí)現(xiàn)碳排放目標(biāo)。
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(chǔ)設(shè)施建設(shè)。根據(jù)“氣候保護(hù)計(jì)劃2030”（該計(jì)劃是對德國《氣候保護(hù)法》的補(bǔ)充），德國政府正通過直接補(bǔ)貼和稅收激勵(lì)政策向交通電氣化領(lǐng)域投資幾十億歐元。
此外，德國針對疫情制定了經(jīng)濟(jì)刺激方案，其中包括多項(xiàng)促進(jìn)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(fèi)者給予大范圍的補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠和其他獎(jiǎng)勵(lì)等。此外，德國政府為每輛電動汽車提供了高達(dá)9000歐元（約合人民幣6.7萬元）的“創(chuàng)新補(bǔ)貼”，使環(huán)保獎(jiǎng)勵(lì)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(zhǔn)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(jù)2019年10月通過的“氣候保護(hù)計(jì)劃2030”，到2030年，德國需要有700萬~1000萬輛電動汽車才能實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)。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(jī)動車保有量的15%，約占屆時(shí)新銷量的40%~60%。此外，根據(jù)“氣候保護(hù)計(jì)劃2030”，德國到2030年將建成100萬個(gè)公共充電站，到2050年將為公共充電設(shè)施、共享的私人充電設(shè)施及商業(yè)充電設(shè)施提供補(bǔ)貼。
電動汽車發(fā)展將使電網(wǎng)容量大增
2019年，德國用電總量為568太瓦時(shí)，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(shí)，2007年達(dá)到歷史峰值596太瓦時(shí)）。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(lǐng)域的能源轉(zhuǎn)型仍然滯后。
有研究預(yù)測了德國純電動汽車替代的幾種方案。與到2030年要實(shí)現(xiàn)電動汽車保有量達(dá)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(dá)到1600萬輛電動汽車的保有量。預(yù)計(jì)消費(fèi)者和汽車制造商都將轉(zhuǎn)向電動汽車，這也反映了歐盟提前實(shí)施燃油車禁令的要求。
在800萬輛電動汽車的基準(zhǔn)情景下，到2030年，德國電動汽車充電需求將達(dá)到每年23太瓦時(shí)；在1600萬輛電動汽車的加速情景下，充電需求將達(dá)到每年43太瓦時(shí)。
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(xì)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(shí)間、充電樁分布，約40%的充電將在住宅區(qū)進(jìn)行、約14%的充電將在工作場所進(jìn)行、約11%的充電將在高速公路服務(wù)區(qū)和公共充電站進(jìn)行、約5%的充電將在商場等購物娛樂場所進(jìn)行、約30%的充電將在貨車和卡車車隊(duì)進(jìn)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。考慮到重型車輛的使用性質(zhì)和集中同時(shí)快速的充電需求，相比于家用充電，車隊(duì)和公共充電將加重電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，管理起來也更困難。
預(yù)計(jì)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(gè)百分點(diǎn)；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(gè)百分點(diǎn)。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(fù)荷管理帶來更大挑戰(zhàn)，電網(wǎng)運(yùn)營商需要進(jìn)一步了解平均負(fù)荷和峰值負(fù)荷。
電力基礎(chǔ)設(shè)施升級的關(guān)鍵
需要較多投資的基礎(chǔ)設(shè)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(guān)設(shè)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(yùn)行負(fù)荷會呈指數(shù)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(jìn)行大幅升級改造，而這最早可能在2025年實(shí)現(xiàn)。
同時(shí)，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(dá)600千瓦）可能影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，多數(shù)情況下，都需要建專用變電站，或?qū)ψ儔浩骱碗娎|進(jìn)行大修。還有一些項(xiàng)目甚至為卡車提供3兆瓦的直流充電，如國際充電標(biāo)準(zhǔn)制定協(xié)會通過的中等電壓大功率商用汽車充電項(xiàng)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(shè)備和7臺350千瓦直流充電設(shè)備的10車位充電站，就需要配套建設(shè)一座容量超過10兆伏安的變電站，總建設(shè)成本高達(dá)幾百萬歐元。
有效管理
電動汽車充電時(shí)間
電力負(fù)荷曲線可以反映用戶的充電習(xí)慣。如在德國，冬季的電力負(fù)荷在18時(shí)~20時(shí)急劇增加，通常在19時(shí)達(dá)到27吉瓦以上的峰值，此時(shí)多數(shù)電動汽車車主下班回家充電。
管理車輛充電時(shí)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(shí)間和時(shí)長更靈活，可以通過分時(shí)電價(jià)“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(yuǎn)程控制管理。
監(jiān)管機(jī)構(gòu)和公用事業(yè)部門能否讓更多車主參與充電管理計(jì)劃，決定了該計(jì)劃對電網(wǎng)峰值負(fù)荷和所需電力基礎(chǔ)設(shè)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(fù)荷需求將增加7吉瓦，比目前增加8%。
在管理充電設(shè)施和非高峰時(shí)段充電的激勵(lì)措施（延遲充電和差異化電價(jià)等）到位的前提下，大部分家庭充電可以從20時(shí)轉(zhuǎn)移到凌晨4時(shí)。這種方案可以緩解電動汽車家庭充電的電網(wǎng)負(fù)荷，同時(shí)商業(yè)充電、車隊(duì)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(wǎng)峰值負(fù)荷都能不同程度地下降。
電網(wǎng)升級路線圖
預(yù)計(jì)到2030年，電動汽車會占德國機(jī)動車保有量的15%，導(dǎo)致電力峰值負(fù)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(wǎng)進(jìn)行升級，以確保電力供應(yīng)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(shí)段利用V2G（車輛到電網(wǎng)）技術(shù)調(diào)動電動汽車的儲能也可輔助平衡電網(wǎng)供需。2016年，丹麥運(yùn)行的第一個(gè)商業(yè)V2G項(xiàng)目一直為哥本哈根提供電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)服務(wù)。
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(shí)電價(jià)、V2G技術(shù)、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(wǎng)的影響，這對于德國實(shí)現(xiàn)電氣化和碳減排目標(biāo)至關(guān)重要。
