电动汽车电网互动模式及储能价值

 

电动汽车发展速度迅猛未来可期

 

中国电动汽车发展速度还是非常快的。今年年初国际可再生能源署对电动汽车、可再生能源的发展有一个国别之间差异的统计。中国电动汽车产销量目前处于领先的位置，去年乘用车来讲中国的销售达到35万，远远高于第二位美国的。

 

中国汽车工程学会也对所有电动汽车的产销量都有了一个统计，到2016年中国全部电动汽车的产销量已经超过了50万辆，其中纯电动占比较大的比例，跟其他国家有一些差异。今年上半年来讲，中国电动汽车整个销量大约20万辆左右，增速还是呈现比较放缓的趋势。充电基础设施来看，如果按80%的车和私人桩的比例来测算，大约接近100万个家用充电桩，公用充电桩刚刚主持人介绍到差不多有16万、17万左右，可以说无论车还是充电基础设施来讲，中国的发展还是非常迅速的。

 

就未来来看，我们也有很多研究机构对未来的电动汽车充电，包括车辆本身未来发展的趋势有一些判断、一些预测。比如说澎博新能源财经，包括美国的一些实验室，都对电动汽车在内的各类电动汽车的数量、市场占比都有一些预测。

 

 

就这张图来看，彭博新能源和阿贡能源实验室他们看好的还是电动汽车技术，右边这张图里面，美国国家可再生能源实验室更加看好的还是插电式混合动力汽车和燃料混合动力汽车。

 

下面这张图是国际能源署的预测，三种情形预测2030年全球汽车保有量，中间这张图预测电动汽车总量达到1亿辆，这样的预测跟中国目前国内的研究机构包括政府部门的判断来讲，这种预测就可能是偏保守的预测了。

 

 

电动汽车发展对于电网的价值

 

电动汽车大规模发展之后，对整个电力系统会带来怎样的价值？我们认为其核心价值提升电力系统的灵活性。

 

在传统电力系统模型的方式，电动汽车在其中其实起到两种方面的角色，一方面，可以作为一种负荷侧新生的用电需求。电动汽车是一种灵活的用电负荷，他的充电时间是可以随着我们系统的需求来进行调节的，因此它是可以来提升系统的灵活性。另一方面，电动汽车也是分布式的储能资源，很可能成为新生的替代传统储能技术的一种新的储能方式。

 

从这两个角度来讲，电动汽车是有很大的潜力来提升整个电力系统的灵活性。最终，系统灵活性一旦提升之后，发电侧就会有更多的清洁能源的消纳能力，电动汽车的用电就有风能、太阳能等波动的能源。中国目前大规模发展汽车仍然存在环境方面争议的。

 

四大因素影响电动汽车与电网互动

 

电动车与电力系统的互动的方式主要包括四类影响因素，包括规模即电动汽车本身的数量规模、动力电池技术（主要体现在进步之后也会直接影响到储能的能力）、还有不同电动汽车与电网互动的模式（包括充放电、有序充电，或者退役电池做储能的方式）以及最后一种就是布局（因为电动汽车不同的电力分布也会影响到它与系统互动的效果。）

 

首先是车辆数的情况。我们这里采用的一个总量的数据是中国汽车工程学会做的《节能与新能源汽车发展路线图》，他预测2030年全国电动汽车总的保有量达到8千万辆以上，我们就此对这个总量进行了拆分，左边这张表里面不同的车型后面的百分比就是我们认为它到2030年之后电动汽车技术在这类车型中的渗透率情况。右边这张图是我们对2030年之前各类电动汽车车型数量规模的预测，到2030年仍然是电动乘用车的保有量是明显占据绝对的主体。

 

 

我们也对2030年电动汽车储能规模进行了判断，如果我们直接以功率来衡量储能的能力，我们认为8千万辆电动汽车所能带来的理论的储能规模大约就是7.3亿千瓦，就是说电动汽车的装机规模功率来讲可以起到非常好的对大规模新能源消纳的促进作用。另外7.3亿千瓦，到去年为止全国的抽水蓄能装机大概2500万千瓦左右，就是说电动汽车的数量规模差不多就是目前全国抽水蓄能规模的接近30倍。

 

从电量角度来讲，我们仍然是以2030年20亿千瓦的风电光伏的装机来看，它日均发电量大约就是接近100亿千瓦时，我们假设把所有的这部分电存到电动汽车8千万辆里面，电动汽车所带来的理论的触电能力大约就是55亿千瓦时，从这点对比来看，电动汽车是非常合适来实现系统因为新能源介入变大以后所产能的日内小时级的调峰的需求。

 

第二，动力电池技术的进步。国内外很多的研究机构对此有很多的判断。技术路线大致是相似的，动力电池的技术仍然是采用锂电池技术，从目前的三元材料的锂电池逐步过渡到到高碳材料等等。包括锂硫、锂空气都是这样的情况，这是各个研究机构总的判断的总结。

 

第三，电动汽车与电网模式及互动的效果。这是一个宏观的总体的分析，实际的互动效果还取决于电动汽车本身用户是否能够跟随电网的调度指令以及是否有这个积极性响应，因此我们具体分析中还是针对一个案例，就是京津塘案例做了一个具体的案例分析，包括三种电动汽车的互动模式，有序充电，单纯的一种充电的引导的方式，改变它的充电时间。第二类，电池的梯次利用，退役之后电池还是存在很大的储能效果，同时可以实现充电和放电双向的调节能力。最后就是V2G，实际上是有序充电和电池梯次利用的结合，比如它的充电需求和放电的量实际上之差就是车辆满足道路出行用能的需求。结合这三方面的协同分析之后，我们还是采用了电动汽车这样的互动模型，REEV模型，来看互动效果。

 

以下就是针对这个案例，京津塘地区2030年的一些假设，包括各类机组的占比容量的情况，它的一些技术参数等。我们直接看一下结果（下图），这里对比的是两种情况，左边是电动汽车无序充电，右边是有序充电的情况。在无序充电下，凌晨和午间都会有非常明显的弃风和弃光的压力，电动汽车起到的作用就是将搬来的充电负荷高峰傍晚时段，挪到了凌晨时段，起到了削峰填谷的作用。这样转移之后直接带来一个效果，系统原始负荷的高峰傍晚时段的高峰得到削减，使得火电处理得到明显下降，由于火电有最低处理的限制，一旦高峰时段处理下降之后，全天时段都会有下降，从而给凌晨和午间留下了更多的发电空间，就减少了弃风和弃光。

 

 

这张图是我们对不同充电基础设施情景下对电动汽车系统价值的分析，左边这张图是以有序充电来看，电动汽车减少弃风弃光的效果，蓝色和红色部分分别是弃风弃光一天之内波动的情况，电动汽车采取有序充电之后，就把更多的傍晚时间充电负荷转移到了凌晨，更多的帮助和消纳凌晨时段可能弃掉的峰电。右边这张图释放了白天充电的时间，因为左边这这张图并没有对白天公共地点的充电没有设置很大的空间，右边这张图假设充电基础设施不受限制，用户可以自由在白天不同的充电基础设施选择他的充电地点之后，右边这张图可以更明显的看到，在左边这张图基础上有更多的傍晚时段的充电负荷转移到了日间时段，就是说帮助消纳了白天午间时段太阳能发电的效果。

 

电动汽车对于电网的经济价值

 

刚才说的就是电动汽车与电网的互动潜力，下面来分析对整个电力系统带来的经济价值到底有多大，其实电动汽车可以为整个系统发输配各个环节产生不同的价值。

 

经济性分析过程中比较重要的因素就是电池成本的判断，这边实际上也有很多的研究机构对以往的锂电池的成本下降的速度，以及未来进一步成本下降的空间进行了一些预测，但我们最后还是选择了国内的也是“节能与新能源汽车路线图”里边的判断，到2030年动力电池的系统成本每千瓦时要降低到9000亿元，我们对退役电池也是有乐观的估计，到2030年成本是新购买电池的一半，V2G的成本相对高一些，有序充电来讲没有一个充放电对电池寿命的着孙，因此它的成本相对是比较低的。

 

结合刚才的假设之后我们得到了各类技术的成本效率分析的结果，我们这里一般是四类技术，左边是有序充电，右边是电池，这个是V2G，我们衡量的标准是每千瓦时资源每年给系统带来的综合价值。

 

 

横向对比来讲，显然是电池价值更高，主要的原因，锂电池放到车体内充放电自由度都会下降，这个价值就会有所降低。数量级来讲，各类技术每年产生的价值是80—350元的水平，差距还是很大的，价值结构来讲，各类技术的结构也是比较相似的，基本上容量价值高于能量价值，能量价值主要是减少发电和输配电基础设施的成本，容量价值包括减少火电机组的能量包括减少风电弃电的价值。成本来讲，有序充电成本非常低，大约10元/年，其他电池来讲可以达到120元/年的成本。

 

现在问题是，我们每类技术的成本和价值的差异都很大，所以我们很难直接的来对比哪类基础经济性最好，所以我们直观的采用了一个价值成本比的方式，就是说如果要用价值成本比更高性价比就比较高，从上边这张图可以看到，有序充电虽然价值规模比较小，由于成本非常低，所以综合来看经济性还是非常好的。

 

 

但是我们在最左边这个部分，这四个柱状图里边，我们包括了电动汽车也好、储能也好，各类价值的总和，实际上我们知道，其实对比容量价值、能量价值的时候，容量价值是存在不确定性的，特别是中国目前是存在发电容量供大与求这样的局面，所以到2030年之前是否还是这样的情况存在一定的不确定性，因此我们在最右边这个图里边也是对单纯的发电能量价值进行对比，如果我们完全不考虑容量价值之后，单纯考虑发电侧，就是新能源发电厂和火电厂它的这部分获取的价值之后，电动汽车的价值，有序充电还是比较高的水平，其他的各类技术经济性就非常低了，是低于1的。

 

我们新能源发展的速度比较低，以及新能源发展速度比较高之后，电动汽车所产生的价值差异。当然新能源如果占比比较低的话，系统的容量价值的规律还是比较规律的，基本上冬季和夏季夜间的情况，我们主要看到的是像传统的需求响应资源应用价值可能更低一些，因为更多的还是帮助应对每天规律出现的一些容量不足或者削峰填谷的场景，右边是出内或者长时间并网的资源，应用价值更高一些。

 

电动汽车充电电价应引进更多分时电价

 

 

这张图就是各个利益相关方买单关系的梳理，包括用户、可再生能源发电商、火电发电商、电网公司等等，电动汽车所产生的价值，分别可以通过减少弃风弃光来减少火电厂发电的燃料消耗，包括减少电网公司线损等等，分别被不同的利益主体获取。

 

在这样一个利益分配的过程中，我们认为实际上充电价格是一个非常重要的因素，因为直接决定了电动汽车的价值在不同利益主体之间的分配，因此我们也看了国外的一些案例，比如说在美国，美国的圣地亚哥和波特兰都对电动汽车这边专门的充电价格的政策。

 

在国内目前政府是鼓励电动汽车执行分时电价、峰谷电价的，实际操作过程中可能更多的电动汽车还是采用电一价格的操作模式，我们认为还是应该进一步的落实分时电价的政策，毕竟相比于其他的一些用电用户来讲，电动汽车不论从软件、硬件来讲完全可以实现分时电价的剂量。

 

我们应该适时考虑引入一些更多时段的分时电价的政策。一方面，新能源接入规模越来越大，系统的波动也会越来越频繁，因此波时段的分时电价，能够反映不同时段的价值情况，另外一方面，对于电动汽车也好、对于电池也好，更多时段价格的曲线能够帮助这些技术能够更多的充放电服务实现套利，降低他们比较高的投资成本的障碍。最后一个就是放电价格，目前来讲放电可能还是存在电池的成本以及配电侧的升级以及像一些体制机制的问题，实际上我们认为随着电动汽车的数量不断的扩大，特别是电池成本的下降空间还是非常大的，我们认为放电价格的政策也应该适时的考虑。考虑到电动汽车是分散式的、分布式的资源，而且并网点往往电压等级也是比较低的，反向输电的过程也不涉及到不同台区之间电力的传输，因此我们考虑是否可以直接采用分时用电价格，来执行他的放电价格。

 

最后，未来如果我们形成了竞争性的电力市场，可能充放电服务商就会起到非常重要的角色，来帮助联系电动汽车，分散电动汽车用户充电行为，当然也可以与新能源发电厂签订一些双边的合同，直接使得波动的可再生能源与灵活的电力负荷进行衔接。

 

最后是一个结论的总结，我们认为8千万辆电动汽车到2030年能带来的理论储能规模是7亿千瓦和55亿千瓦时，是完全能够实现新能源规模提升以后系统所需的日内调峰的需求，我们的案例里面是800万辆电动汽车在京津塘地区每年能产生的能量价值，单纯考虑能量价值大约就是57—170亿元，当然不同技术价值是有所差异的，进一步考虑成本之后电池成本是比较高的，综合考虑成本之后有序充电目前还是性价比最高的一种技术选择。最后我们认为充放电价格设计是非常重要的因素，不同的利益相关方之间的价值归属。

 

不同时期电动汽车理论的储能潜力，到2030年储能规模是非常巨大的，730GW和5500GW时，要实现这样的理论潜力，不同车型有不同的与电网互动的战略选择，当然要想促进这样一个互动依旧需要一些政策上的支持。