让充电的新能源汽车化身电网稳定利器
作者：Adam Kimmel
2020年，全球新能源汽车销量增长了41%，总数接近300万辆，这还是在当年汽车整体销量下滑6%的情况下达成的。所有地区都对这一变化做出了贡献：欧盟在2020年超越中国成为最大的新能源汽车进口市场；美国也制定了2030年企业和机构新购用车中新能源汽车占比达到50%的目标。与此同时，中国上路行驶的新能源汽车数量依然多于其他任何地理区域，达到了450万辆；欧盟的这一数字为320万辆。国际能源署 (IEA) 表示，目前全球道路上共有约680万辆纯电动汽车 (BEV) ，这一数字到2030年将增长到2.5亿辆。 汽车的电气化将是一个持续进行的过程。不出十年，新能源汽车的成本将会降至与传统内燃机 (ICE) 汽车相当的水平，届时前者的需求将迎来显著增长。于是，一个棘手的问题迅速浮现出来：当成本问题解决后，充电问题将成为下一个阻碍新能源汽车普及的因素。
新能源汽车充电的现状
今天，大多数新能源汽车是通过现有电源充电的，这些电源中有不少仍在使用不可再生能源 (例如电网电源) 。为了维持碳中和或碳负值状态，应对气候变化的严重影响，政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 在其第六次评估报告中强烈建议采用可再生能源。如果将充电基础设施转变为使用可再生能源 (太阳能、风能、生物质能、水电) ，这些能源的可用性和可靠性会自然地存在一些不足，但新能源汽车依然是交通应用实现碳减排的重要途径。因此，业界必须为下面几个问题给出解答：
· 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？
要解答这些关键问题，就必须分析当前电网电力的获取方式，以及为新能源汽车充电所需的条件。
全球电力来源
在不同地区，主干电网的电力来源存在很大的差异；即便在特定的地理区域内，相邻地区的电力来源也可能会有区别。图1所示为1985年以来全球电力生产方式的变化，从中我们可以看出：
· 煤炭仍然在全球范围内占主导地位，但已经出现下降趋势
· 天然气位居第二，自2010年以来呈增长态势，目前维持在平稳状态
· 可再生能源所占比例不大，但表现出了明显的增长趋势，风能和太阳能自2010年起迅速增长
· 2020年，全球电力来源占比如下：
煤炭：34%
天然气：23%
水电和其他可再生能源：19%
核能：10%
风能：7%
石油：4%
太阳能：3%
图1：全球电力生产方式 (图源：Our World in Data)
根据上述研究，全世界目前约有39%的电力来自于包括核能和可再生能源在内的低碳能源。可再生能源 (水电、风能、太阳能等) 占全球能源产量的29%，并且自2011年以来呈线性增长态势。
随着全球能源需求从2020年的80TWh继续上升到2030年的525至860TWh，提高可再生能源占比便成为一件非常必要的事情。人口增长和电气化运动正在推动这一趋势。然而，电力需求增加的另一个关键因素，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，我们必须减少对化石燃料的依赖，并转变为使用对气候更友好的可再生能源。
然而，这种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 (V2G) 技术就是这些创新中的一员，它让电能可以在电网和新能源汽车之间双向流动。
V2G简介
当V2G技术得到采用后，电网就好似配备了许多移动充电宝，将储能的工作从发电站中分散开，形成一种类似于边缘计算的格局。这项技术可以将路上的每辆新能源汽车携带的电力利用起来，在需要时灵活地将电力送回电网中，而且通过离网充电获得的电力也可以利用起来；也就是说，V2G开启了电网和车辆间的双向能量传输。V2G之所以能够运作，是因为相当数量的消费者只使用了电池容量的一小部分；这种方法可以优化电池利用率，让相同的组件可以产生更多效益。
V2G优化了电力的生产、使用和运输方式。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。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，从而获得一种新的收入来源。降低新能源汽车的总拥有成本，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、何时产生电力，这也有助于公用事业部门根据需求和消费者行为的趋势来优化能源生产，降低能源供应商和消费者的成本。
V2G还能提供一项社会效益：它可以向原本没有远程储能设施的地方提供这样的能力。将车辆的用电情况与电网连接起来，所产生的最大优势，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。
太阳能绿色新能源汽车和充电基础设施
绿色电动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的充电容量，其中向电网或家庭供电的基础设施就是用户的家用新能源汽车充电器。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源是从电网中获取，还是回馈给电网。这种结构提供了一种按需提供能源的方式，同时可以将多余的能源保存起来供日后使用。
对于间歇性的太阳能发电，要使电力供应能力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结合起来。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的过程中所剩的主要挑战之一。
还有哪些挑战会影响可再生能源的使用率？
电力的优势之一在于它的高效率。它将电池的化学能直接转换为电能，消除了产生碳排放的热能中间环节，而这一环节存在30%的效率损失。随着电力需求激增，V2G确实可以缓解可再生能源的不稳定性以及电网所承受的压力，但这项技术在得到广泛采用之前仍有一些挑战需要克服。
目前，车用直流充电正迎来发展机遇，因而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。虽然现在已经出现了转换效率高达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，业界有必要根据新能源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。
结语和要点提炼
由可再生能源驱动的新能源汽车，可以通过V2G技术为可再生能源电网的调节发挥巨大作用。这种方法可以在绿色的太阳能可用时充满新能源汽车的电池容量，并根据需要从电网获取电力或将电力回输给电网。V2G提供了一种灵活的储能选项，解决了可再生能源应用中的一大问题。这项技术将能源可用性与消费者需求联系起来，积极地吸引用户，并为能源供应商和消费者提供高效、经济的方法。
