电动汽车对全球能源系统影响详细剖析

因地制宜修改负荷曲线的方法

电动汽车的发展有可能很快就遇到新的瓶颈了么？

随着交通工具电气化的加速，能源供应商和分销商要意识到电动汽车对于电力需求的潜在影响力（图1）。好消息是：麦肯锡咨询的分析师认为直到本世纪中叶电气化交通工具的计划增长量不会推动电网负荷需求的整体增长，从而限制了这期间对于新增装机容量的需求。

以德国的数据为例，2030年之前，电动汽车的增长似乎不会导致负荷需求的大幅增加。事实上，负荷只增加了1％，需要新增5GW的发电装机容量。这一数字将在2050年增加4％，需要额外20GW的装机容量。几乎所有这些新增的装机都涉及可再生能源，包括风电和光伏，以及天然气发电机组。

重塑电力负荷曲线

尽管电动汽车销量的增加不太可能引起负荷需求的显著增加，却的确有可能重塑电力负荷曲线。最显著的影响就是晚间峰荷的增长，比如人们在完成一天的工作之后回家，给他们的电动汽车充电。然而，在系统层面上，这种行为最多只造成百分之几的影响。再用德国举个例子，我们预计其负荷峰值会在2030年上涨约1％，2050年上涨5％，系统基本可以消纳这样规模的增长。

然而，地区层面负荷曲线的变化却会受到挑战，因为不同地区电动汽车的增速是有差异的的，有些情况下差距更甚。麦肯锡咨询公司公司的空间分析师对于地区电动汽车渗透率的预测表明，郊区很有可能成为早期电动汽车发展的热点地区。因此，尽管当前国家范围内电动汽车的渗透水平还比较低，依然存在部分地区拥有可观的电动汽车保有量（图2）。

这些住宅热点和其他如公共电动汽车快速充电站和商业停车场等电动汽车集中充电区域将出现地区峰荷的显著增长。为了预测住宅区负荷曲线的变化，本公司运用了蒙特卡洛法进行分析。对于一个拥有150个家庭且地区电动汽车渗透率为25％的典型住宅馈线，分析结果预测峰值负荷大约会上升30％（图3）。

尽管住宅区峰值负荷的上涨十分明显，却没有想象的那么夸张。这是因为尽管一辆电动汽车很容易就能把单个家庭的峰荷加倍，多个家庭（有的家庭有电动汽车，有的没有）的负荷整合起来则减少了变电站峰值负荷的相对增加。图3在假设没有延时或者“智能”（即集中控制的）充电的情况下阐释了一典型变电站电动汽车负荷的峰值和平均值。

除了峰值负荷的增长，公共快速充电站的负荷具有波动性和冲激性，也需要额外的系统容量进行平抑。我们通过模拟快速充电站的负荷曲线更细致地研究了这种情况（图4）。在这种情况下，一个单一快速充电站可能很快就超过了典型馈线变压器的最大容量。

来自电动汽车充电功率需求的变电站峰荷增长会最终不可控地超过配电变压器最大容量，需要增容。把麦肯锡咨询公司地理学家对于每个地区电动汽车渗透率的分布和当前变压器的使用数据结合起来可以发现，国家层面电动汽车分布需要的基建费用服从S曲线。换句话说，尽管低电动汽车渗透率下扩容需要的投资很少，随着电动汽车的快速增加，该投资将迅速增加，最终在高渗透率水平下达到饱和。在未经修正的情况下，我们预计对于每一辆电动汽车，累计电网投资可能达到数百欧元。

潜在的解决方案

能源行业从业者有多种方法走出困境。他们可以对充电行为施加影响，比如可以通过分时电价刺激电动汽车拥有者在午夜之后而不是晚间的早些时间充电。分析指出，这样会升高峰值负荷（图5）。分时电价很容易实现且被实验证明需要特别注意，因为如果很多人碰巧同时对电池进行充电，就有可能导致某个时间点出现负荷尖峰。

此外，从业人员可以设置更多的地区解决方案，比如同时安装储能单元和变压器，在负荷低谷的时候通过变压器向储能单元充电。储能单元则在负荷达到峰值时放电，这样相对于电网来说即相当于削减了峰荷。另外一种方法是使用小型热电联产设备，在当地存在热源需求时会是一种很好的方法（比如在给货仓供暖的同时给一批运输车辆充电）。

随着电池的成本快速下降，使用储能设备平滑负荷曲线越来越具有吸引力。其他应用包括公共快速充电桩、为电动公交和卡车设计的停车场充电桩、以及当更多电动汽车拥有者同时拥有一些屋顶光伏电池板和户用储能时可以设计一些住宅充电装备。多种因素可以同时驱动安装储能设备这一商业行为。包括削减负荷尖峰以减少费用（由于峰荷导致的额外费用）和避免电网升级以及在特定的时间利用低电价（在电价低的时间给电池充电）。用户也有可能通过提供柔性服务收取报酬。

尽管在电网升级或者替代的措施方面进行投资是不可避免的，相关企业依然可以通过追寻他们的根原因对此进行大幅削减。比如通过改变电动汽车负载避免尖峰荷升高。对于电动汽车拥有者充电行为、驾驶和泊车习惯的观察表明，电动汽车连接到电网的相当长时间里并没有进行充电。这一比例可能从私人、居民电动汽车充电的80％到公共充电行为的25％不等。这种情况为改变充电负载从而从系统的角度优化充电时间和速度提供了可能，进而使充电智能化。

智能掌握充电行为以创造价值

集中调控、智能操纵充电行为可以通过多种方法创造价值。首先，它可以实现更有效的“削峰”并由此大幅减少电网投资。其次，它可以实现削峰之外的负荷曲线调整以优化发电成本（从峰荷发电需求变为基荷发电需求）。此外，在风电和光伏发电有余量的时候进行充电或者在其不足时减少充电。最后，通过提供需求响应服务，智能充电可以提供有价值的系统平衡（频率响应）服务。

这种方法的另一种高级形式是v2g计划，它不仅可以改变电动汽车产生的电力需求，也可以使得特定情况下电动汽车向电网返送电力成为可能。驾驶员培训已经证明了电动汽车所有者参与协调智能充电的切实意愿。根绝各地区的实际情况，由此产生的整体价值可达到每辆电动汽车每年几百欧元。

为了实现这些优势，能源行业从业者们必须对智能充电设备进行一些先期投资，并和其他利益相关者达成有效合作。但是一旦建立了这些目标，从电网得到角度来说电动汽车就不再会成为令人担心的一个因素了。相反，他们可以使电力系统的成本效益更好，更坚强，也更绿色，为系统创造更多收益。

行驶的电动汽车的预期增长对电力公司是一种挑战。虽然2030年前他们不会造成潜在的负荷需求的增加，却会重塑负荷曲线，从而给电网增加新的限制。本文提出的建议可以帮助能源行业的玩家们战胜这一挑战，有效整合数量日益增长的电动汽车，从而给电力系统带来实实在在的益处。