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国际电动汽车与电网协同进入商业化阶段

为缓解新管病毒疫情带来的经济下行影响,中共中央政治局常务委员会提出了针对“新基建”的经济刺激政策,旨在撬动数十亿元的投资提振产业。这项刺激政策,不仅强调加快5G基站、数据中心发展等支持信息化、智能化的新型基础设施投资,也提出了针对充电基础设施的低碳发展投资。充电基础设施能否让电动汽车根据电网的负载情况调整充电时间与充电功率(即“智能有序充电”),根据电网的需要适时向电网回馈电能量(即“Vehicle-to-Grid, V2G”),成为业界探讨和试点的方向。6月18日,在世界资源研究所与中国电动汽车百人会联合举办的中国电动汽车与电网协同路线图研究发布会上,德国国际合作机构能源项目转型主任Anders Hove和世界资源研究所交通项目总监薛露露分享了国际上电动汽车与电网协同的进展情况。

未来,随着电动汽车数量的增长,电动汽车与电网协同存在巨大潜力:根据国际能源署的预测,2030年大部分电动汽车充电电量将由私人慢充桩完成,而私人慢充桩适合安装智能充电设备,可以与电动汽车充电控制相结合方式,为电力平衡提供灵活服务。根据Agora Verkehrswende(2019)的研究,未来德国电动汽车如果采用智能有序充电的措施,不仅可以降低自身对电网的影响,更可以降低由电动汽车、电热泵和分布式可再生能源带来的配电网扩容成本。

全球,电动汽车和电网协同已经不是新鲜事物。车网协同的试点示范从2008年开展至今已有十余年,与电动汽车普及的时间基本相同。截至2018年年底,全球有约50个电动汽车与电网协同案例,其中25个在欧洲,18个在美国,7个在日本和韩国(Everoze等 2018)。国际车网协同的推广,不仅为大规模推广车辆电动化提供前景,也为能源与电网基础设施转型提供机遇,其目标包括:

  • 降低电动汽车全生命周期的成本,加速电动汽车推广;
  • 在保障电网系统安全、稳定运行的前提下,提供灵活电力资源,降低电网、电源及固定式储能设施的投资;
  • 辅助可再生能源并网及消纳,降低电动汽车生命周期排放。

图 1. 全球V2G项目分布,来源:Everoze等

国际上,电动汽车与电网协同覆盖了几乎所有可能的应用场景,涉及的车型也非常多元(包括纯电动私家车、轻型货车、公交车、校车、分时租赁车等)。例如:

  • 荷兰政府为降低电动汽车推广带来的电网基础设施投资,已经建立了一个支持有序充电充电的公共充电桩。目前,荷兰全国80%的公共充电桩具备智能有序充电功能“Smart Charging Ready”,可以随时被激活。基于OCCP、OSCP、OCPI等车-桩-网间公开通讯标准,荷兰充电桩基础设施不仅支持电动汽车用户在不绑定任何充电运营商的前提下,在任一公共充电站实现“即插即充”,也能够广泛地支持智能有序充电—延缓配电网增容投资,并在可再生能源出力大的时候参与消纳。
  • 由日产与丹麦技术大学等多个机构于2016年开展的Paker项目,利用了10台包括日产聆风在内的多个品牌的电动汽车,以及43台支持V2G功能充电桩,在丹麦多个区域电力市场持续地提供了3年多的调频辅助服务。这个规模小型但持续时间久的试点项目成功地证明了:一是即便私人电动汽车搭载的电量仅有24kWh、30kWh,也具备在夜间停车期间,提供调频辅助服务的功能;二是每辆电动汽车在北欧区域电力市场中的年调频收益非常可观,介于1759欧元到2486欧元之间,具备商业推广的潜力。
  • 随着技术可行性与商业模式的逐步成熟,国际上,电动汽车以V2G方式参与调频辅助市场(见注释)的车辆规模已经从10辆车向700辆迭代。今年,汽车制造商菲亚特克莱斯勒于意大利北部都灵正式投资了一项V2G试点。目前,该试点已安装32个支持V2G的充电桩,为64辆电动汽车提供充放电功能。明年底,该试点将扩大到700辆电动汽车,预计合计提供的调频容量上限将达25兆瓦。这些汇集的电动汽车将作为“虚拟电厂”,为意大利电网运营商Terna提供包括调频在内的辅助服务与实时电力平衡。

图 2. 意大利都灵V2G项目场景实拍,图片来源:https://v2g.co.uk/2020/05/the-fca-engie-v2g-pilot-project-gets-under-way/

 

欧洲车网协同进入商业化推广阶段主要得益于:创新的商业模式、车-桩间通讯标准的支持、智能优化的软件平台以及电力市场的完善。

商业模式的创新

首先,智能有序充电和V2G一直存在着投资成本高、用户接受度有限、商业模式缺乏的问题,解决这个问题的方法既需要政府部门的支持,也需要企业在商业模式上的创新突破。

政府补贴和研发资金投入是规模推广智能有序充电、探索V2G试点的重要前提。例如,英国政府的电动汽车家庭充电计划(UK Electric Vehicle Homecharge Scheme)规定,自2019年起,只有支持有序充电的充电桩,才有资格获得政府补贴支持。

在商业模式上,越来越多国际企业也在加速创新,将电动汽车与智能电网服务打包,让其在经济上更具有吸引力:

  • 电动汽车租赁服务与V2G电网服务成租赁打包:英国Octopus电动汽车租赁公司将电动汽车租赁与V2G电网服务打包成套餐:用户可以以每月299英镑的价格租赁含V2G套餐的电动汽车(日产聆风);而如果用户每个月通过手机APP,按时参与固定次数的V2G提供削峰填谷或其他电网服务,将额外获得每月30英镑的现金返还。
  • 电网公司承担设备投入成本,并获取车网协同的现金流收益:美国佛蒙特州的电网企业提出,只要车主允许电网公司控制Powerwall储能设施和车辆充电,并提供电网服务,该电网公司将为特斯拉车主支付安装Powerwall储能设施和充电桩的费用。电网公司通过有序充电或者V2G方式赚取电价峰谷差或获得电力市场收益,填补前期设备投入。

电动汽车参与多种应用场景(Value Stacking)越发受到重视;一些V2G试点例如英国伦敦城市配送企业Gnewt,除调度10辆电动货车参与日常配送外,也同时参与夜间调频、日间的峰谷差套利等多种应用,累积提升车网协同的收益。在不久的将来,V2G也有望成为“出行即服务”(Maas)的一部分。

图 3. 英国Octopus电动汽车租赁与V2G电网服务套餐,图片来源:https://www.octopusev.com/powerloop

车-桩通讯标准的支持

现在欧洲现有三种充电标准,分别是特斯拉的超级充电站标准、日本的CHAdeMO的标准、美国和大部分欧洲国家使用的CCS标准--目前这些标准均已经开始支持有序充电与V2G。

日本的CHAdeMO 2.0充电标准自标准制定之始,就支持直流有序充电和双向充放电(V2G)功能,所以欧洲、美国大部分车网协同试点都以CHAdeMO2.0标准为主。随着中国国家标准与日本CHAdeMO标准在直流快充上实现兼容--即“超级”标准的出台,我国也有望未来在直流充电上对V2G予以支持。CCS标准中,高等级通讯标准IEC 15118也是在制定之初就支持直流的V2G,只是IEC 15118对信息交互的响应度仍不及日本的CHAdeMO标准。为此,CCS标准仍在更新升级中,预计要到2025年才能更好地支持V2G。在三个协议中,Tesla早期对V2G技术不屑一顾,但新的Tesla车型也已安装双向充电软件代码,可以通过远程软件更新方式,激活V2G功能。

图 4. 丹麦Parker V2G调频项目采用的车-桩-网通讯标准,来源:根据丹麦Parker项目介绍修改

智能优化的软件平台

优化车辆充放电管理的软件对车网协同也非常重要。智能优化软件可以针对不同应用场景、优化目标,以及车辆并网、离网的动态信息,将电网的指令分解成为针对每辆电动汽车的差异化控制策略。

可以说,车网协同智能软件是充电运营商、负荷集成商或电网企业的核心竞争力。一些智能软件已能支持实时滚动的优化策略调整,例如智能充电桩与设备生产企业Nuvve,利用私家车大数据与人工智能算法,能够根据车辆随机的出行需求,实时滚动地调整车辆充放电策略,既不影响车辆出行需求,也避免耗尽电动汽车的电量。

另一些智能软件则能够通过预测可再生能源的发电曲线,实现电动汽车充电与可再生能源的匹配,例如电网设备制造商Enel X通过气象数据的收集和处理,能够预测分布式可再生出力曲线,并通过有序充电较好地匹配可再生能源出力。

电力市场的改革与数据透明

最后,车网协同面临的另一个挑战是电动汽车如何参与到电力市场的问题。得益于电力市场的高收益,很多电动汽车负荷集成商都在积极努力地参与电力市场,但前提是这需要完善电力现货市场与辅助服务市场。即便在电力市场化水平高的欧洲现货电能量市场,让用户能够看到实时价格变化,也未能在过去20年中成为现实;所以在欧洲,电动汽车参与现货电力平衡的试点数量有限。未来电力市场改革、透明的价格与传导机制,将为车网协同释放更多的商业红利。

 

* 注释:

  • 电力辅助服务市场:指为维护电力系统的安全稳定运行,保证电能质量,除正常电能生产、输送、使用外,由发电企业、电网经营企业和电力用户提供的服务所形成的市场。中国当前的辅助服务市场包括调频、调峰、备用、黑启动等。
  • 调频辅助服务:指发电机组提供足够的可调容量及调节速率,以满足电力系统频率稳定的要求。

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