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电动汽车充电进入双向时代,可再生能源如何帮助满足需求?

关键词:电动汽车充电 可再生能源

时间:2024-04-22 10:57:00      来源:贸泽电子

目前的大多数电动汽车都是从现有电源获取能量进行充电,其中的许多电源都是不可再生的(如化石燃料、煤炭)。为了维持碳中和或碳负值状态,应对气候变化带来的影响,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在其《Sixth Assessment Report》[2]中强烈建议采用可再生能源。

作者:Adam Kimmel 来源:贸泽电子

全球电动汽车市场发展趋势

全球电动汽车(EV)销量从2020年的300万辆到2023年底预计的1400万辆,增长率高达367%。[1]所有地区对这一增幅都有大小不一的贡献,中国位居前列,欧盟保持不变,美国的份额也有所上升。2023年电动汽车的销量可以占到总销量的18%,如果照这个趋势发展下去,到2030年每天可节约500万桶石油。图1展示了2016年以来电动汽车销量的平滑指数曲线。


图1:全球各地区近几年的电动汽车销量。(图源:IEA 2023;《Electric car sales,2016-2023》,许可证:CC BY 4.0.)

推动这一增长的主要因素包括:

• 电池制造能力持续提升,到2030年将能够满足电动汽车的电池需求,实现该细分市场的“净零排放”目标
• 新型电池化学配方缓解了材料供应压力,解决了传统技术在续航里程、风险和性能方面的问题
• 充电基础设施继续增加以满足消费者的需求
• 政策的支持和投资的增长,彰显了地方政府和私营企业在电动汽车领域的合作

随着汽车生产速度的提升,消费者的成本进一步降低,电气化将继续进行。此外,成本的降低还会增加销量,为高度资本化的自动化市场提供资金所带来的需求也将加速。这一趋势将大幅降低消费者的成本,使电动汽车成为普通大众可以负担得起的产品。

当然也有反对意见认为充电问题仍然会阻碍一些消费者转向电动汽车,因为充电时间过长会带来续航焦虑和生活方式的改变。

1. 目前电动汽车的充电方式

电动汽车充电基础

目前的大多数电动汽车都是从现有电源获取能量进行充电,其中的许多电源都是不可再生的(如化石燃料、煤炭)。为了维持碳中和或碳负值状态,应对气候变化带来的影响,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在其《Sixth Assessment Report》[2]中强烈建议采用可再生能源。

如果充电基础设施采用可再生能源(如太阳能、风能、生物质能、水电),这种能源的可用性和可靠性天然存在一些限制。但电动汽车依然是交通领域实现碳减排的重要途径。因此,业界必须对下面几个问题给出答案:

• 太阳能发电如何应对夜间或阴天?
• 风电如何应对刮风不规律或风力不够强的情况?
• 将可再生能源转化为电能的过程是否能完全消除碳排放?

要回答这些重要问题,就必须分析当前电网获取电力的方式,以及为电动汽车充电所需的条件。

2. 全球电力来源

在不同地区,主干电网的电力来源存在很大差异。即便在同一个地理区域,相邻地区的电力来源也可能会有区别。表1列出了全球发电情况,并提供了2020到2022这两年间的变化趋势。[3]


表1:全球发电情况,2020–2022
(图源:作者,数据来自Our World in Data)

从表中可以看出:

• 煤炭在全球发电能源中仍占主导地位,但增长速度正在放缓(尽管其所占比例略有上升)
• 天然气位居第二,并延续了2020年从持平到下降的趋势
• 可再生能源所占比例不大,但表现出了明显的增长趋势,风能和太阳能继续以相同的速度呈指数级增长
• 水电看起来已最终趋于平稳
• 生物质能也是一种新兴能源,呈线性增长

从Our World in Data提供的数据可以看出,全球约39%的电力来自低碳能源,其中包括核能、生物质能和其他可再生能源。水电、风能和太阳能等可再生能源占全球发电量的30%,而且风能和太阳能的发电量还在继续大幅增加。

预计2022至2050年间,全球电力需求的增长将超过75%,因此,向可再生能源的转变既是众望所归,也是形势所需。[4]而且人口的增加和电气化的发展也助推了这一趋势。不过,电力需求增加还有一个关键因素是源自于气候变化的压力。现阶段,全球近2/3的电力依然来自于化石燃料,而我们必须减少对化石燃料的依赖,并转向对气候更友好的可再生能源。

目前急剧增长的电气化趋势会对电网造成巨大压力,因为充电高峰期的电网负荷会变得更大,可再生能源的存储也会面临更大的挑战。要缓解需求激增对充电基础设施的影响,技术创新是一剂良方,而汽车对电网技术就是这些创新中的一员,它逆转了以前电网和电动汽车之间的充电方向。

3. 什么是汽车对电网技术?

汽车对电网(V2G)技术可实现电网和车辆之间的双向能量传输,从而将易于携带的储能装置分散到各地,不再局限于发电站。这项技术可以将路上每辆电动汽车携带的电力在需要时灵活地回馈到电网中,让通过离网充电获得的电力也可以利用起来;V2G之所以可行,是因为相当数量的消费者只使用了电池容量的一小部分;这种方法可以提高电池利用率,让相同的组件产生更多效益。

用户的电动汽车家用充电桩就是向电网或家庭供电的基础设施。负责将能量从电网输送到电池的电路,同样可以用来将电池中的多余能量输回电网,并让用户以市场价或协商价格获得收入。用电需求和能源可用性决定了能量是从电网中获取,还是回馈给电网。这种结构提供了一种按需供电的方式,同时可以将多余的电量保存起来供日后使用。

V2G优化了电力的生产、使用和传输。汽车电池将与远程储能解决方案联网,在用电高峰期提高对电网的电力输送,并在汽车充电时(夜间或用电低谷期)优化供电。

另外,V2G还可以提供有关车主能源使用习惯的数据,鼓励他们通过优化自己的行为来更积极地管理能源使用,降低出行成本;同时,车主还可以将电力卖给电网,从而开辟一种新的收入来源。降低电动汽车的总拥有成本,正是提高其全球采用率的基本市场驱动力之一。

此外,从V2G产生的电力数据中,我们还可以得知车辆何时使用、何时发电,这也有助于公用事业部门根据实际需求和消费者行为趋势来优化自己的发电,从而降低供电单位和消费者的成本。

V2G还能提供一项社会效益,那就是它可以让原本没有储能设施的地方利用别处的远程储能设施。将车辆的用电情况与电网关联起来,所带来的一些具有突破性的优势,就在于能够在车辆和电网之间根据需要对电力进行储存、调节和供应。

绿色电动汽车充电使用太阳能电池板,让光子激发电子,产生电流流向车辆并充满电池。对于间歇性的太阳能发电,要使电力供应保持平稳以便按需使用,一种自然的方式就是将其与电池储能相结合。当电池充满电后,就可以根据需要在任何地方使用这些能源,无论是在车上还是在家里。V2G解决了可再生能源的存储难题,这是提高可再生能源使用率所剩的主要挑战之一。

影响可再生能源使用率的其他困难和障碍

电力的优势之一在于它的高效率。电池将化学能直接转化为电能,避免了可以将热效率降低约30%的燃料燃烧。V2G是一种优势明显的解决方案,既能缓解可再生能源的不稳定性,又能在电力需求激增时减轻电网压力。但是,要使电动汽车走进千家万户,它还必须克服其他一些挑战。

V2G的另一个引入注目的优势是创造了一种新的可再生能源:从V2G获取的能量。它增加了让能量流入和流出电网的能力,使能量更像一种货币,可在能源和应用之间转移。

目前,车用直流充电桩迎来了发展机遇,需要有适当大小的转换器将交流电转换为直流电来进行能量传输。虽然现在已经有了转换效率高达95%的交流-直流转换器,但许多此类产品依然只能实现80%-90%的效率。因此,业界有必要根据电动汽车的电池容量来定制电源转换器,并且努力提高转换效率,从而直接增加电力输出。

结语

可再生能源驱动的电动汽车对于通过V2G实现可再生电网的目标至关重要。这种方法利用绿色太阳能来为电动汽车的电池充电,支持电动汽车与电网的双向充电,可以将电力输送到需要的地方。

V2G提供一种灵活的储能选项,解决了可再生能源的一个重要障碍,同时缓解了风能和太阳能发电的不稳定性。V2G技术将电力供应与消费者需求联系在一起,提供了一种即时供电方法,让用户主动参与进来,是一种对供电方和消费者来说都高效、经济的方法。

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