電動汽車充電進(jìn)入雙向時(shí)代，可再生能源如何幫助滿足需求？

全球電動汽車市場發(fā)展趨勢

全球電動汽車（EV）銷量從2020年的300萬輛到2023年底預(yù)計(jì)的1400萬輛，增長率高達(dá)367%。[1]所有地區(qū)對這一增幅都有大小不一的貢獻(xiàn)，中國位居前列，歐盟保持不變，美國的份額也有所上升。2023年電動汽車的銷量可以占到總銷量的18%，如果照這個(gè)趨勢發(fā)展下去，到2030年每天可節(jié)約500萬桶石油。圖1展示了2016年以來電動汽車銷量的平滑指數(shù)曲線。

圖1：全球各地區(qū)近幾年的電動汽車銷量。（圖源：IEA 2023；《Electric car sales，2016-2023》，許可證：CC BY 4.0.）

推動這一增長的主要因素包括：

. 電池制造能力持續(xù)提升，到2030年將能夠滿足電動汽車的電池需求，實(shí)現(xiàn)該細(xì)分市場的“凈零排放”目標(biāo)

. 新型電池化學(xué)配方緩解了材料供應(yīng)壓力，解決了傳統(tǒng)技術(shù)在續(xù)航里程、風(fēng)險(xiǎn)和性能方面的問題

. 充電基礎(chǔ)設(shè)施繼續(xù)增加以滿足消費(fèi)者的需求

. 政策的支持和投資的增長，彰顯了地方政府和私營企業(yè)在電動汽車領(lǐng)域的合作

隨著汽車生產(chǎn)速度的提升，消費(fèi)者的成本進(jìn)一步降低，電氣化將繼續(xù)進(jìn)行。此外，成本的降低還會增加銷量，為高度資本化的自動化市場提供資金所帶來的需求也將加速。這一趨勢將大幅降低消費(fèi)者的成本，使電動汽車成為普通大眾可以負(fù)擔(dān)得起的產(chǎn)品。

當(dāng)然也有反對意見認(rèn)為充電問題仍然會阻礙一些消費(fèi)者轉(zhuǎn)向電動汽車，因?yàn)槌潆姇r(shí)間過長會帶來續(xù)航焦慮和生活方式的改變。

1. 目前電動汽車的充電方式

電動汽車充電基礎(chǔ)

目前的大多數(shù)電動汽車都是從現(xiàn)有電源獲取能量進(jìn)行充電，其中的許多電源都是不可再生的（如化石燃料、煤炭）。為了維持碳中和或碳負(fù)值狀態(tài)，應(yīng)對氣候變化帶來的影響，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在其《Sixth Assessment Report》[2]中強(qiáng)烈建議采用可再生能源。

如果充電基礎(chǔ)設(shè)施采用可再生能源（如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水電），這種能源的可用性和可靠性天然存在一些限制。但電動汽車依然是交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的重要途徑。因此，業(yè)界必須對下面幾個(gè)問題給出答案：

. 太陽能發(fā)電如何應(yīng)對夜間或陰天？

. 風(fēng)電如何應(yīng)對刮風(fēng)不規(guī)律或風(fēng)力不夠強(qiáng)的情況？

. 將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能的過程是否能完全消除碳排放？

要回答這些重要問題，就必須分析當(dāng)前電網(wǎng)獲取電力的方式，以及為電動汽車充電所需的條件。

2. 全球電力來源

在不同地區(qū)，主干電網(wǎng)的電力來源存在很大差異。即便在同一個(gè)地理區(qū)域，相鄰地區(qū)的電力來源也可能會有區(qū)別。表1列出了全球發(fā)電情況，并提供了2020到2022這兩年間的變化趨勢。[3]

表1：全球發(fā)電情況，2020–2022

（圖源：作者，數(shù)據(jù)來自O(shè)ur World in Data）

從表中可以看出：

. 煤炭在全球發(fā)電能源中仍占主導(dǎo)地位，但增長速度正在放緩（盡管其所占比例略有上升）

. 天然氣位居第二，并延續(xù)了2020年從持平到下降的趨勢

. 可再生能源所占比例不大，但表現(xiàn)出了明顯的增長趨勢，風(fēng)能和太陽能繼續(xù)以相同的速度呈指數(shù)級增長

. 水電看起來已最終趨于平穩(wěn)

. 生物質(zhì)能也是一種新興能源，呈線性增長

從Our World in Data提供的數(shù)據(jù)可以看出，全球約39%的電力來自低碳能源，其中包括核能、生物質(zhì)能和其他可再生能源。水電、風(fēng)能和太陽能等可再生能源占全球發(fā)電量的30%，而且風(fēng)能和太陽能的發(fā)電量還在繼續(xù)大幅增加。

預(yù)計(jì)2022至2050年間，全球電力需求的增長將超過75%，因此，向可再生能源的轉(zhuǎn)變既是眾望所歸，也是形勢所需。[4]而且人口的增加和電氣化的發(fā)展也助推了這一趨勢。不過，電力需求增加還有一個(gè)關(guān)鍵因素是源自于氣候變化的壓力?，F(xiàn)階段，全球近2/3的電力依然來自于化石燃料，而我們必須減少對化石燃料的依賴，并轉(zhuǎn)向?qū)夂蚋押玫目稍偕茉础?/p>

目前急劇增長的電氣化趨勢會對電網(wǎng)造成巨大壓力，因?yàn)槌潆姼叻迤诘碾娋W(wǎng)負(fù)荷會變得更大，可再生能源的存儲也會面臨更大的挑戰(zhàn)。要緩解需求激增對充電基礎(chǔ)設(shè)施的影響，技術(shù)創(chuàng)新是一劑良方，而汽車對電網(wǎng)技術(shù)就是這些創(chuàng)新中的一員，它逆轉(zhuǎn)了以前電網(wǎng)和電動汽車之間的充電方向。

3. 什么是汽車對電網(wǎng)技術(shù)？

汽車對電網(wǎng)（V2G）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和車輛之間的雙向能量傳輸，從而將易于攜帶的儲能裝置分散到各地，不再局限于發(fā)電站。這項(xiàng)技術(shù)可以將路上每輛電動汽車攜帶的電力在需要時(shí)靈活地回饋到電網(wǎng)中，讓通過離網(wǎng)充電獲得的電力也可以利用起來；V2G之所以可行，是因?yàn)橄喈?dāng)數(shù)量的消費(fèi)者只使用了電池容量的一小部分；這種方法可以提高電池利用率，讓相同的組件產(chǎn)生更多效益。

用戶的電動汽車家用充電樁就是向電網(wǎng)或家庭供電的基礎(chǔ)設(shè)施。負(fù)責(zé)將能量從電網(wǎng)輸送到電池的電路，同樣可以用來將電池中的多余能量輸回電網(wǎng)，并讓用戶以市場價(jià)或協(xié)商價(jià)格獲得收入。用電需求和能源可用性決定了能量是從電網(wǎng)中獲取，還是回饋給電網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)提供了一種按需供電的方式，同時(shí)可以將多余的電量保存起來供日后使用。

V2G優(yōu)化了電力的生產(chǎn)、使用和傳輸。汽車電池將與遠(yuǎn)程儲能解決方案聯(lián)網(wǎng)，在用電高峰期提高對電網(wǎng)的電力輸送，并在汽車充電時(shí)（夜間或用電低谷期）優(yōu)化供電。

另外，V2G還可以提供有關(guān)車主能源使用習(xí)慣的數(shù)據(jù)，鼓勵(lì)他們通過優(yōu)化自己的行為來更積極地管理能源使用，降低出行成本；同時(shí)，車主還可以將電力賣給電網(wǎng)，從而開辟一種新的收入來源。降低電動汽車的總擁有成本，正是提高其全球采用率的基本市場驅(qū)動力之一。

此外，從V2G產(chǎn)生的電力數(shù)據(jù)中，我們還可以得知車輛何時(shí)使用、何時(shí)發(fā)電，這也有助于公用事業(yè)部門根據(jù)實(shí)際需求和消費(fèi)者行為趨勢來優(yōu)化自己的發(fā)電，從而降低供電單位和消費(fèi)者的成本。

V2G還能提供一項(xiàng)社會效益，那就是它可以讓原本沒有儲能設(shè)施的地方利用別處的遠(yuǎn)程儲能設(shè)施。將車輛的用電情況與電網(wǎng)關(guān)聯(lián)起來，所帶來的一些具有突破性的優(yōu)勢，就在于能夠在車輛和電網(wǎng)之間根據(jù)需要對電力進(jìn)行儲存、調(diào)節(jié)和供應(yīng)。

綠色電動汽車充電使用太陽能電池板，讓光子激發(fā)電子，產(chǎn)生電流流向車輛并充滿電池。對于間歇性的太陽能發(fā)電，要使電力供應(yīng)保持平穩(wěn)以便按需使用，一種自然的方式就是將其與電池儲能相結(jié)合。當(dāng)電池充滿電后，就可以根據(jù)需要在任何地方使用這些能源，無論是在車上還是在家里。V2G解決了可再生能源的存儲難題，這是提高可再生能源使用率所剩的主要挑戰(zhàn)之一。

影響可再生能源使用率的其他困難和障礙

電力的優(yōu)勢之一在于它的高效率。電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，避免了可以將熱效率降低約30%的燃料燃燒。V2G是一種優(yōu)勢明顯的解決方案，既能緩解可再生能源的不穩(wěn)定性，又能在電力需求激增時(shí)減輕電網(wǎng)壓力。但是，要使電動汽車走進(jìn)千家萬戶，它還必須克服其他一些挑戰(zhàn)。

V2G的另一個(gè)引入注目的優(yōu)勢是創(chuàng)造了一種新的可再生能源：從V2G獲取的能量。它增加了讓能量流入和流出電網(wǎng)的能力，使能量更像一種貨幣，可在能源和應(yīng)用之間轉(zhuǎn)移。

目前，車用直流充電樁迎來了發(fā)展機(jī)遇，需要有適當(dāng)大小的轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電來進(jìn)行能量傳輸。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有了轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%的交流-直流轉(zhuǎn)換器，但許多此類產(chǎn)品依然只能實(shí)現(xiàn)80%-90%的效率。因此，業(yè)界有必要根據(jù)電動汽車的電池容量來定制電源轉(zhuǎn)換器，并且努力提高轉(zhuǎn)換效率，從而直接增加電力輸出。

結(jié)語

可再生能源驅(qū)動的電動汽車對于通過V2G實(shí)現(xiàn)可再生電網(wǎng)的目標(biāo)至關(guān)重要。這種方法利用綠色太陽能來為電動汽車的電池充電，支持電動汽車與電網(wǎng)的雙向充電，可以將電力輸送到需要的地方。

V2G提供一種靈活的儲能選項(xiàng)，解決了可再生能源的一個(gè)重要障礙，同時(shí)緩解了風(fēng)能和太陽能發(fā)電的不穩(wěn)定性。V2G技術(shù)將電力供應(yīng)與消費(fèi)者需求聯(lián)系在一起，提供了一種即時(shí)供電方法，讓用戶主動參與進(jìn)來，是一種對供電方和消費(fèi)者來說都高效、經(jīng)濟(jì)的方法。

（作者：Adam Kimmel 來源：貿(mào)澤電子）