電動汽車+能源互聯(lián)網(wǎng):萬物一體的未來

發(fā)布時間:2016-06-12   來源:本站編輯

不同于傳統(tǒng)燃油內(nèi)燃機(jī)汽車,電動汽車可通過車載電腦控制電壓,直接微調(diào)每個車輪角度及轉(zhuǎn)速,此時決定車輛操控性能的不再是傳動系統(tǒng)、變速器和差速器,而是處理器速度和內(nèi)存容量。電子設(shè)備比單純機(jī)械設(shè)備有更快速的反應(yīng)和更佳的穩(wěn)定性,電動汽車對電子設(shè)備也更具親和力。雖然近年來諸如電子控制單元(ECU)、電子循跡穩(wěn)定(ESP)等技術(shù)正在成為傳統(tǒng)燃油汽車的標(biāo)配技術(shù),但基于燃油發(fā)動機(jī)的動力及驅(qū)動系統(tǒng)終究是汽車進(jìn)一步智能化的根本制約。在車輛與電網(wǎng)銜接方面,智能充電設(shè)施的普及將幫助實(shí)現(xiàn)交通用能信息的數(shù)字化和充電負(fù)荷的可觀可控。目前基于CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線的電動汽車充電接口通信協(xié)議已開放電池充放電相關(guān)的信息,充電服務(wù)商、售電企業(yè)和集成服務(wù)商等運(yùn)營主體可作為大電網(wǎng)與個體車輛之間的媒介,輕松實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與車輛充/放電信息互聯(lián),并衍生出電池監(jiān)測、有序充電、需求響應(yīng)和雙向互動等附加服務(wù),從而真正釋放電動汽車在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用潛力,而該潛力又取決于電動汽車規(guī)模、應(yīng)用價值及商業(yè)模式等因素。

我國電動汽車規(guī)模

受激勵政策驅(qū)動,近年來我國電動汽車增速迅猛,電動汽車數(shù)量的快速提升奠定了其在能源物聯(lián)網(wǎng)的體量規(guī)模。2014年我國新能源汽車產(chǎn)銷量分別為7.85萬輛和7.48萬輛,是僅次于美國的全球第二大新能源汽車消費(fèi)市場。2015年新能源汽車產(chǎn)銷量保持快速增長趨勢,1~11月新能源汽車產(chǎn)量達(dá)到27.9萬輛,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國增速,成為全球最大新能源汽車市場。

大規(guī)模電動汽車將成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)重要的需求響應(yīng)及分布式儲能資源。電動汽車與燃油汽車類似,平均每輛車每天運(yùn)行時間2~4小時,其余20~22小時可接入電網(wǎng)進(jìn)行充放電。按全國人口13.5億為計,假設(shè)千人汽車保有量為30%,按電動汽車滲透率75%計算,全國電動汽車數(shù)量規(guī)模可達(dá)到3億輛,若單車平均充放電功率為7千瓦,動力電池容量為84千瓦時,則車網(wǎng)互動(V2G)所能提供的理論充放電調(diào)節(jié)容量為21億千瓦和252億千瓦時,分別為目前全國發(fā)電裝機(jī)容量的1.5倍和抽水蓄能儲能容量的96倍。特別是在集成運(yùn)營模式下,運(yùn)營商可充分優(yōu)化車輛的接入電網(wǎng)和充放電時序,最大限度發(fā)揮電動汽車儲能潛力。相比傳統(tǒng)靈活發(fā)電技術(shù)(如單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電啟動到滿負(fù)荷需10分鐘以上),動力電池調(diào)節(jié)速度快,響應(yīng)時間毫秒級,遠(yuǎn)高于其他靈活電源。同時,動力電池調(diào)節(jié)精度高,充放電幾乎完全貼合調(diào)度指令,可高質(zhì)量地完成電網(wǎng)調(diào)度指令。

電動汽車與可再生能源

憑借能源互聯(lián)網(wǎng),電動汽車與可再生能源電力一起構(gòu)建清潔高效的電力系統(tǒng)。當(dāng)前全球能源體系正經(jīng)歷著清潔低碳化變革。到2014年底,全球風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)已經(jīng)分別達(dá)到3.7億千瓦和1.77億千瓦。一些國家已有超過20%的電力需求來自風(fēng)能和太陽能,局部地區(qū)部分時段風(fēng)電和太陽能發(fā)電出力甚至超過電力系統(tǒng)負(fù)荷的50%5。到2015年底,我國風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量已位居全球第一,成為全球可再生能源發(fā)電規(guī)模最大的國家。隨著電力系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電比重不斷增加,電力系統(tǒng)靈活性資源的應(yīng)用價值快速提升,大規(guī)??稍偕茉窗l(fā)電與不確定的用電負(fù)荷一起,為電力系統(tǒng)靈活性資源的發(fā)展提供了巨大空間。

雖然化石能源發(fā)電具備一定的調(diào)節(jié)能力,但快速、頻繁地調(diào)整化石能源發(fā)電出力將顯著增加其運(yùn)行能耗及成本。為滿足常規(guī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況的需要,電網(wǎng)往往通過事先制定固定發(fā)用電計劃對調(diào)度運(yùn)行和用電負(fù)荷進(jìn)行管理。在發(fā)電側(cè),隨著風(fēng)電、光伏等波動性可再生能源發(fā)電規(guī)模不斷提高,調(diào)度機(jī)構(gòu)越來越難以通過制定固定的發(fā)電計劃和調(diào)度指令對發(fā)電側(cè)進(jìn)行管控。在需求側(cè),固定的用電計劃也限制了各類需求響應(yīng)資源參與電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)的空間。特別是隨著分布式電源、微電網(wǎng)、電動汽車等新型用電技術(shù)和用電模式的引入,需求側(cè)用電負(fù)荷的不確定性也在逐漸上升。正是電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)和需求側(cè)越來越多的波動性和不確定性因素,為電動汽車融入能源互聯(lián)網(wǎng)提供了前所未有的機(jī)遇。從電力系統(tǒng)靈活性的角度來看,一方面,電動汽車會作為電力系統(tǒng)的一種新型負(fù)荷品種,其充電行為在隨機(jī)性和間歇性中又帶有一定的規(guī)律性,特別是當(dāng)大量電動汽車有序充電時,將改善電網(wǎng)負(fù)荷特性;另一方面,電動汽車被視為分布式儲能設(shè)施,可與分布式能源、可再生能源等結(jié)合形成微網(wǎng)系統(tǒng),也可應(yīng)用于需求響應(yīng),根據(jù)系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)需求進(jìn)行實(shí)時充放電變化。電動汽車普及后的調(diào)控規(guī)模非??捎^,結(jié)合先進(jìn)電力電子通信控制技術(shù)、合理的充放電設(shè)施布局及引導(dǎo)性的電價政策,電動汽車在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性方面具有巨大應(yīng)用潛力。

雖然風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電出力隨著四季變化呈現(xiàn)規(guī)律性波動,但系統(tǒng)調(diào)峰的需求基本處在電動汽車早高峰出行之前和晚高峰出行之后,即電動汽車并網(wǎng)與電力系統(tǒng)調(diào)峰在時間分布上存在天然互補(bǔ)性。電動汽車與可再生能源協(xié)同發(fā)展不僅可以幫助電動汽車實(shí)現(xiàn)全生命周期零排放,還可提升可再生能源并網(wǎng)規(guī)模,從而形成兩者的良性互動。

然而,由于電動汽車具有資源分散和不規(guī)則的特點(diǎn),且其不規(guī)則體現(xiàn)在電量和容量兩個維度,因而電動汽車分散無序地接入電網(wǎng)難以形成有效的靈活調(diào)節(jié)效果。對大量分散的需求側(cè)資源的整合將大幅提升其可預(yù)測性和可控性,從而提升需求側(cè)調(diào)節(jié)資源在電力系統(tǒng)中的整體應(yīng)用價值。因此,通過能源互聯(lián)網(wǎng)平臺對分散的電動汽車和儲能設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)化集成勢在必行。能源互聯(lián)網(wǎng)切入點(diǎn)

隨著我國電力現(xiàn)貨市場的建立和售電市場的形成,分散電動汽車的充電服務(wù)日益呈現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)。作為分散的C端用戶,電動汽車可幫助車輛用戶實(shí)現(xiàn)用戶分時電價管理、容量電費(fèi)管理、提升供電可靠性和供電質(zhì)量等電力終端服務(wù)價值;而憑借車聯(lián)網(wǎng)等移動互聯(lián)技術(shù),系統(tǒng)集成的電動汽車電力需求響應(yīng)又參與上游現(xiàn)貨市場交易和調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)現(xiàn)貨市場交易,并孕育新的能源互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式。在電力系統(tǒng)發(fā)輸配用各環(huán)節(jié)中,在用電側(cè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透最為徹底,電動汽車負(fù)荷集成商可通過充電信息大數(shù)據(jù)整合和電力需求響應(yīng)機(jī)制,充分利用電動汽車的充放電資源,并根據(jù)其靈活調(diào)節(jié)資源特點(diǎn)和市場價格變化,在上下游市場間進(jìn)行自由選擇和切換,以實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)靈活調(diào)節(jié)資源應(yīng)用價值的最大化。

美國落基山研究所(RMI)就對儲能技術(shù)在系統(tǒng)側(cè)、配電側(cè)和用戶側(cè)并網(wǎng)的價值進(jìn)行過對比。研究發(fā)現(xiàn),儲能在用戶側(cè)并網(wǎng)除了能夠幫助用戶實(shí)現(xiàn)分時電價管理、降低容量電費(fèi)、提高供電可靠性和供電質(zhì)量外,還保留了其通過電力需求響應(yīng),參與上游批發(fā)電力市場交易(現(xiàn)貨市場電價套利、系統(tǒng)調(diào)頻、系統(tǒng)備用等)的可能性。反之,雖然在輸配電線路暢通的情況下,系統(tǒng)側(cè)和配電側(cè)儲能理論上對電力系統(tǒng)也可起到相似作用,但其產(chǎn)生的成本和收益卻難以在價值提供者和受益者之間進(jìn)行合理分配,因此也難以形成清晰的商業(yè)模式。

國外已在電動汽車需求響應(yīng)方面做出嘗試。例如,美國加州圣地亞哥煤氣和電力公司(SDG&E)。根據(jù)日前各時段的負(fù)荷預(yù)測,提前一天為各個時間段設(shè)定電力可變費(fèi)率,參與計劃的電動汽車駕駛者可以通過手機(jī)應(yīng)用程序獲知第二天電費(fèi)情況,并允許SDG&E通過軟件遠(yuǎn)程調(diào)整電動汽車充電負(fù)荷與時間,從而實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)下的錯峰充電。而PJM電網(wǎng)更是通過降低調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、日前備用等輔助服務(wù)品種的最小容量準(zhǔn)入門檻,將電動汽車充電負(fù)荷納入居民需求響應(yīng)資源,進(jìn)而幫助電動汽車用戶通過聚合集成參與現(xiàn)貨電力市場交易。通過示范運(yùn)營PJM發(fā)現(xiàn),分散的電動汽車可以提供與大型電站相同甚至質(zhì)量更高的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)。隨著電動汽車市場的快速普及,電動汽車將成為電力系統(tǒng)最重要的負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)資源。

作為分散的負(fù)荷側(cè)儲能設(shè)施,電動汽車完全可作為實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的切入點(diǎn)。

第一, 電動汽車是電力市場的新生消費(fèi),電動汽車的大規(guī)模接入為電網(wǎng)企業(yè)帶來了大量新增電力需求,提升了電網(wǎng)對需求響應(yīng)的接受度。

第二, 除了電量消費(fèi)外,電動汽車充放電過程包括了快速充電、電池更換、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及維護(hù)等額外價值,充放電服務(wù)因此有望成為引入售電側(cè)價格競爭的契機(jī)。

第三, 充電數(shù)據(jù)監(jiān)控及計量裝置已整合在電動汽車車體內(nèi)部,用戶可通過車載電腦安排充放電計劃,車載通信系統(tǒng)也完全滿足充放電信息的監(jiān)控、計量和交易,降低了需求響應(yīng)通信、計量等基礎(chǔ)設(shè)施投入成本。

第四, 隨著低碳交通等概念的興起,車輛租賃、車輛共享等新生商業(yè)模式不斷涌現(xiàn),電動汽車集成運(yùn)營商可成為售電市場中的競爭實(shí)體。

第五, 電動汽車集成運(yùn)營商的引入,將整合終端用戶、電力零售商、配電網(wǎng)等不同市場參與者的角色,規(guī)避了各利益相關(guān)方之間復(fù)雜的利益分配機(jī)制設(shè)計問題。

最后,電動汽車運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于燃油成本,電動汽車充放電服務(wù)價格仍有較大上升區(qū)間(直至燃油價格),為需求側(cè)市場提供了廣闊的競價空間。

而在車輛方面,技術(shù)的不斷進(jìn)步也為車-網(wǎng)之間互聯(lián)互動提供了保障。例如比亞迪等電動汽車制造商已經(jīng)推出了具備放電功能的電動車型,憑借新型功率控制單元(PCU)及電機(jī)控制器集成化技術(shù),車輛動力電池具備了交流電輸出的能力,大幅提升了電動汽車進(jìn)行需求響應(yīng)的應(yīng)用潛力。

除需求響應(yīng)服務(wù)外,集成運(yùn)營商還能夠更有效地回收退役的電動汽車動力電池和用戶側(cè)儲能電池,以實(shí)現(xiàn)電池的梯次利用和電池原材料資源的再生循環(huán)。例如德國寶馬公司就與博世集團(tuán)合作,將從Mini-E電動汽車退役的電池拆解重組后服務(wù)于Vattenfall電網(wǎng)儲能;戴姆勒公司也專門成立電池生產(chǎn)企業(yè)ACCUMOTIVE,并與儲能運(yùn)營商、資源再生企業(yè)合作形成完整的動力電池生產(chǎn)-使用-儲能-回收-生產(chǎn)閉合產(chǎn)業(yè)鏈,其規(guī)劃的13兆瓦時退役電池儲能電站也是目前全球最大的退役電池儲能項(xiàng)目。政策建議

按照現(xiàn)行我國電力市場機(jī)制,分散的電動汽車無法直接參與電力現(xiàn)貨市場交易,而現(xiàn)有的用戶側(cè)分時電價管理和容量電費(fèi)管理等應(yīng)用無法充分反映電動汽車及儲能的靈活性價值。因此,建議在推進(jìn)電力體制改革的過程中,充分考慮負(fù)荷側(cè)電動汽車的充放電調(diào)節(jié)潛力,適當(dāng)降低分散的靈活性調(diào)節(jié)資源參與電量及輔助服務(wù)現(xiàn)貨市場的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)(如最小裝機(jī)規(guī)模)。在電力輔助服務(wù)方面,建議進(jìn)一步細(xì)化輔助服務(wù)市場設(shè)計,其定價機(jī)制應(yīng)充分反映靈活性資源的服務(wù)質(zhì)量及調(diào)節(jié)效果(如響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度等),從而建立公平競爭的市場交易規(guī)則,提升電動汽車的市場競爭力,引導(dǎo)售電商和需求響應(yīng)提供商采納新技術(shù),建立電動汽車融入能源互聯(lián)網(wǎng)的市場機(jī)制。

由于我國正處在電力市場化過渡階段,建議可先將電動汽車充電服務(wù)商購電價格納入分時電價管理,并把諸如充電時間管理、充電導(dǎo)航、充電狀態(tài)查詢及充電預(yù)約等服務(wù)納入充電服務(wù)費(fèi)定價機(jī)制,從而鼓勵電動汽車充電服務(wù)商加強(qiáng)充電信息數(shù)據(jù)整合及充電負(fù)荷管控的能力。電動汽車退役的動力電池在未來能源互聯(lián)網(wǎng)及儲能中將起到日益重要的作用。若實(shí)現(xiàn)退役電池在電力系統(tǒng)儲能領(lǐng)域的梯次利用,則其未來儲能容量將高于屆時在運(yùn)電動汽車自身的充放電調(diào)節(jié)能力。因此,建議在動力電池梯次利用領(lǐng)域盡早布局,盡快建立動力電池回收、拆解、重組等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系,并在動力電池回收及梯次利用技術(shù)研發(fā)及企業(yè)運(yùn)營方面給予政策扶持。

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