魏一凡，韓雪冰，盧蘭光，王賀武，李建秋，歐陽(yáng)明高

（清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的《第六次評(píng)估報(bào)告（AR6）》已確認(rèn)，工業(yè)革命后人類活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放是導(dǎo)致氣溫升高的主因。由此將導(dǎo)致熱浪、極端降水等極端天氣的增加；特別是對(duì)于城市來(lái)說(shuō)，氣候變化將嚴(yán)重影響交通出行和能源供應(yīng)。將溫升控制在1.5℃以內(nèi)和2050年實(shí)現(xiàn)碳中和已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)的焦點(diǎn)主題。目前，歐盟、英國(guó)、美國(guó)、中國(guó)等多個(gè)國(guó)家已經(jīng)做出了明確的碳中和路線圖。與其他國(guó)家相比，我國(guó)減碳?jí)毫Ω?。例如，美?guó)已于2007年碳達(dá)峰，并宣布將于2050年碳中和。而我國(guó)仍處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，一次能源消費(fèi)仍呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，碳排放也仍處于增長(zhǎng)階段。因此，根據(jù)我國(guó)設(shè)定的2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，我國(guó)從碳達(dá)峰到實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間比美、歐、日更短，如圖1所示。

圖1 中美歐日碳達(dá)峰到碳中和時(shí)間

我國(guó)始終高度重視應(yīng)對(duì)氣候變化，堅(jiān)持綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展，一直將其作為促進(jìn)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。2020年9月22日，習(xí)近平總書(shū)記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上鄭重宣布：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。這一重要宣示為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、綠色低碳發(fā)展提供了方向指引、擘畫(huà)了宏偉藍(lán)圖。

為如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，須大幅提高可再生能源比例，降低化石能源比重，新能源革命是實(shí)現(xiàn)碳中和的必經(jīng)之路?，F(xiàn)階段，我國(guó)可再生能源發(fā)電占比快速升高，發(fā)電成本不斷下降，到“十四五”末（2025年），可再生能源的發(fā)電裝機(jī)占中國(guó)電力總裝機(jī)的比例將超過(guò)50%；到2035年，光伏發(fā)電成本可降至0.1元/（kW·h），風(fēng)電成本可降至0.2元/（kW·h）。我國(guó)的光伏和風(fēng)電技術(shù)與成本已經(jīng)完全具備大規(guī)模推廣條件，到2050年，我國(guó)非化石能源比重將提升至78%~80%，其中風(fēng)電將占到能源消費(fèi)的38.5%，光伏占到21.5%，水電占到9%（圖2）。高比例可再生能源將為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來(lái)顛覆性變化。

圖2 2050年中國(guó)發(fā)電量結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

然而高比例可再生能源的消納，將為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)革命性挑戰(zhàn)。據(jù)測(cè)算，在現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下，須至少按照可再生能源裝機(jī)容量的16%配置儲(chǔ)能，在碳中和情景下需要配置800 GW儲(chǔ)能容量和大約5 h儲(chǔ)能周期，帶來(lái)巨大的社會(huì)投資和自然資源投入。在此背景下，儲(chǔ)能技術(shù)將成為制約高比例可再生能源的新型電力系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，而新能源汽車有望成為突破這一瓶頸的重要技術(shù)途徑。

一方面，新能源汽車本身即是新能源革命的重要組成部分?！笆濉币詠?lái)，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有，2020年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量超過(guò)130萬(wàn)輛，占全球50%以上，處于領(lǐng)先地位。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》預(yù)測(cè)：2030年，新能源汽車銷量將達(dá)到汽車總銷量的50%左右，保有量約1億輛。而隨著乘用車車隊(duì)電動(dòng)化，2050年道路直接二氧化碳排放將從2019年的8億t降低到0.3億t，減排潛力巨大。

另一方面，電動(dòng)汽車電池儲(chǔ)能是分布式、小規(guī)模、短周期儲(chǔ)能的最佳選擇。2060年電動(dòng)汽車的保有量將達(dá)到約3.9億輛，以每輛裝載電池60 kW·h測(cè)算，電動(dòng)汽車儲(chǔ)能將超過(guò)230億kW·h，可以滿足電網(wǎng)日間儲(chǔ)能的需求。隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的增加，智能有序充電與車網(wǎng)互動(dòng)（vehicle to grid，V2G）將成為碳中和的重要支撐。電動(dòng)汽車將成為用能和儲(chǔ)存能源的終端。

氫能及其載體是可再生能源集中式、大規(guī)模、長(zhǎng)周期存儲(chǔ)的最佳選擇：在能源利用充分性、規(guī)模儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性、與電池放電互補(bǔ)性和制運(yùn)儲(chǔ)方式靈活性等多個(gè)角度都具有優(yōu)勢(shì)。氫能燃料電池車輛是氫能交通的先驅(qū)，氫能交通是氫能利用的先導(dǎo)，其使命是帶動(dòng)氫能的全面發(fā)展。

最終，電池和氫能共同構(gòu)成主流的儲(chǔ)能方式。電動(dòng)汽車分布式儲(chǔ)能將與集中式氫能電廠發(fā)電耦合，可以分別滿足短周期和長(zhǎng)周期波動(dòng)平衡的要求。從該角度看，新能源汽車的規(guī)模推廣將有力破解新能源革命的瓶頸。交通和能源將會(huì)相互融合，實(shí)現(xiàn)一體化發(fā)展。

1 新能源汽車與分布式儲(chǔ)能

1.1 電動(dòng)汽車技術(shù)與市場(chǎng)發(fā)展

2011年我國(guó)在全球率先確立了“純電驅(qū)動(dòng)”的新能源汽車發(fā)展技術(shù)路線，引領(lǐng)了世界新能源汽車發(fā)展潮流。10年來(lái)，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有，2021年前10個(gè)月我國(guó)新能源汽車銷量已經(jīng)超過(guò)210萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)全年銷量將達(dá)到260~300萬(wàn)輛，呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

電動(dòng)汽車的技術(shù)與市場(chǎng)發(fā)展受到很多因素的影響和促進(jìn)，同時(shí)電動(dòng)汽車也會(huì)帶來(lái)新的節(jié)能技術(shù)與碳減排貢獻(xiàn)，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車最核心的部件之一，其市場(chǎng)與發(fā)展也是電動(dòng)汽車發(fā)展的重要組成部分。本小節(jié)基于《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，結(jié)合其市場(chǎng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素和最新市場(chǎng)動(dòng)向，嘗試給出在“雙碳”目標(biāo)背景下電動(dòng)汽車市場(chǎng)總量的預(yù)測(cè)判斷。

1.1.1 加速電動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展因素

在碳達(dá)峰碳中和的政策與新能源革命的促進(jìn)下，電動(dòng)汽車除了具有交通功能屬性，還將具有智慧能源屬性和互聯(lián)互通屬性等。動(dòng)力的電動(dòng)化和自動(dòng)駕駛的發(fā)展將為電動(dòng)汽車的交通出行帶來(lái)很多創(chuàng)新的場(chǎng)景和途徑；隨著智能終端和智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展，智能座艙、車?路?人?云的一體化融合等都將充分展現(xiàn)電動(dòng)汽車的互通互聯(lián)功能。

電動(dòng)汽車加速發(fā)展的因素主要包括技術(shù)因素、市場(chǎng)因素和政策因素。

技術(shù)方面包括：電池材料體系和電芯的改進(jìn)、電池單體到電池包（cell to pack，CTP）、電池到底盤（cell to chassis，CTC）等電池系統(tǒng)工程創(chuàng)新的技術(shù)革命；隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，電機(jī)控制器的功率密度將不斷提升；熱管理方面，針對(duì)電池系統(tǒng)和整車系統(tǒng)的低溫加熱技術(shù)、熱泵技術(shù)、電池系統(tǒng)冷卻等熱管理技術(shù)不斷發(fā)展；隨著智能化的電控系統(tǒng)、高體積比能量的電池系統(tǒng)、高體積比功率的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，電動(dòng)化將引起底盤平臺(tái)化和模塊化，對(duì)汽車設(shè)計(jì)也帶來(lái)變革性影響。

市場(chǎng)方面，如圖3所示?！?021中國(guó)新車購(gòu)買意向研究（NVIS）》報(bào)告顯示，95后購(gòu)車人對(duì)新能源轎車和新能源SUV的購(gòu)買意向很高。電動(dòng)汽車的消費(fèi)市場(chǎng)逐漸向年輕、科技感、快消化、高顏值等方向發(fā)展。此外，電動(dòng)汽車的后市場(chǎng)交易活躍度明顯增高，汽車租賃共享、售后維保、二手車交易等平臺(tái)快速發(fā)展。

圖3 電動(dòng)汽車發(fā)展市場(chǎng)因素

政策方面，如圖4所示。在碳達(dá)峰碳中和與新能源汽車革命的促進(jìn)下，我國(guó)近年來(lái)不斷發(fā)布促進(jìn)新能源汽車的利好政策以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。如購(gòu)車補(bǔ)貼、雙積分政策、碳稅碳交易和綠證政策等。此外，美國(guó)計(jì)劃在2030年之前實(shí)現(xiàn)50%的在售車輛為零排放車輛的目標(biāo)；歐盟計(jì)劃在2035年之前禁售燃油車等。國(guó)內(nèi)政策和國(guó)際形勢(shì)都在促進(jìn)電動(dòng)汽車的進(jìn)一步發(fā)展。

圖4 中國(guó)新能源政策促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史與未來(lái)

1.1.2 電動(dòng)汽車市場(chǎng)總量預(yù)測(cè)

在多種激勵(lì)因素的作用下，新能源汽車總量應(yīng)符合自然增長(zhǎng)曲線（S曲線）或Logistic growth曲線增長(zhǎng)規(guī)律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：()為年份中國(guó)汽車銷量的預(yù)測(cè)值；為銷量的飽和值；Δ為從10%的值增長(zhǎng)到90%的值所需的時(shí)間；為達(dá)到50%的值的年份，也為曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心1978年以來(lái)的汽車銷量數(shù)據(jù)，結(jié)合式（1）可以預(yù)測(cè)出我國(guó)汽車年總銷量的飽和值。再基于《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》的關(guān)鍵年份的新能源汽車銷量的滲透比率，則可以預(yù)測(cè)出新能源汽車的年銷量，如表1和圖5所示。隨著新能源汽車銷量的增加，傳統(tǒng)燃油汽車銷量逐漸降低；2030年左右，新能源汽車銷量占比將達(dá)50%左右，其中新能源乘用車1 700萬(wàn)輛左右；新能源汽車銷量在2040年前增長(zhǎng)迅速，到2050年左右逐漸趨于平穩(wěn)，達(dá)到飽和值約3 900萬(wàn)輛。

表1 我國(guó)汽車銷量預(yù)測(cè)（萬(wàn)輛）

圖5 我國(guó)汽車產(chǎn)銷量歷年變化及預(yù)測(cè)

假設(shè)電動(dòng)汽車的壽命周期為10年，根據(jù)Logistic曲線和《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，我國(guó)新能源汽車的保有量增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖6所示，到2030年，我國(guó)新能源汽車保有量將達(dá)1億輛；2035年將達(dá)到2億輛；2040年達(dá)到3億輛；2050年達(dá)到3.6億輛左右，新能源汽車市場(chǎng)逐漸趨于飽和。從不同類型的新能源汽車來(lái)看，乘用車的增長(zhǎng)最迅速，占據(jù)主導(dǎo)地位；商用車和專用車將隨著時(shí)間和技術(shù)發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)全部電動(dòng)化。

圖6 我國(guó)新能源汽車保有量增長(zhǎng)及預(yù)測(cè)（萬(wàn)輛）

1.2 電池可持續(xù)發(fā)展

電池是新能源汽車的關(guān)鍵部件，其技術(shù)的革新與發(fā)展也將對(duì)新能源汽車與新能源革命產(chǎn)生重大影響。近10年鋰離子電池系統(tǒng)成本下降了85%，2020年已經(jīng)降至0.6~0.9元/（W·h）?！豆?jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》規(guī)劃了未來(lái)電池比能量、壽命和成本的發(fā)展目標(biāo)。其中，動(dòng)力電池發(fā)展路線圖如圖7所示。由圖可見(jiàn)，預(yù)計(jì)到2025年，三元電池成本將降至0.6元/（W·h），磷酸鐵鋰電池成本降至0.4元/（W·h）；三元電池循環(huán)壽命大于1 500次，磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命大于5 000?10 000次；隨著固態(tài)電池等技術(shù)的發(fā)展，下一代鋰電池能量密度有望達(dá)到或超過(guò)500 W·h/kg，進(jìn)一步支撐電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能的發(fā)展。

圖7 動(dòng)力電池發(fā)展路線圖

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，車用動(dòng)力電池與儲(chǔ)能電池發(fā)展趨同。儲(chǔ)能電池在壽命方面更好，而動(dòng)力電池低溫性能更佳。在安全性方面，分布式的動(dòng)力電池比集中式的儲(chǔ)能電池更具有優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在失效概率低、損害程度小和滅火難度小?？偨Y(jié)來(lái)看，車載動(dòng)力電池作為一種低成本、大規(guī)模、分布式的儲(chǔ)能方式，具有顯著優(yōu)勢(shì)，也為車網(wǎng)互動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。

1.3 充換電模式及其基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展

新能源車的能源補(bǔ)給方式與傳統(tǒng)燃油車有較大的不同，因此新能源車的發(fā)展也將推動(dòng)相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施迅猛發(fā)展。

圖8給出了不同類型電動(dòng)汽車出行特征和能量補(bǔ)給方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于私家乘用車，平時(shí)在家或者單位以慢充為主，超級(jí)快充主要發(fā)生在高速公路長(zhǎng)途旅行期間（一般而言SOC低于50%）。北京城管委2019年對(duì)8萬(wàn)輛電動(dòng)乘用車統(tǒng)計(jì)表明：自有充電樁慢充總電量占比已達(dá)75%，不足30%的公共充電中，快充占比已達(dá)85%，符合發(fā)展預(yù)期。

圖8 電動(dòng)汽車能量補(bǔ)給方式

對(duì)于商用車，貨車日均行駛里程約為305 km，公交車日均行駛里程約為165 km，物流車日均行駛里程為90 km。這類車輛如使用公共充電樁等方式補(bǔ)電，將存在縮短車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)間、車輛占用場(chǎng)地大、充電功率利用率低，以及對(duì)電網(wǎng)短時(shí)沖擊大和充電站規(guī)劃建設(shè)難度大、成本高等問(wèn)題。因此，對(duì)于貨車而言，由于大功率充電設(shè)施稀缺，運(yùn)營(yíng)效率要求高，補(bǔ)電方式以換電為主；而公交、物流車到站停車時(shí)間較長(zhǎng)，補(bǔ)電方式以專用充電樁為主。

基于以上對(duì)充換電技術(shù)和場(chǎng)景的判斷，以及1.1節(jié)對(duì)各類電動(dòng)車型總量的預(yù)測(cè)，可以估計(jì)未來(lái)充換電總能量與功率的增長(zhǎng)，并預(yù)測(cè)充換電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模，如圖9所示。以私家車為例，現(xiàn)有日均大功率和小功率補(bǔ)電量約為989萬(wàn)kW·h和10 867萬(wàn)kW·h，到2030年將分別增長(zhǎng)至約為現(xiàn)在的8倍和5倍，到2040年則將分別增長(zhǎng)至約為現(xiàn)在的15倍和16倍。這里慢充基礎(chǔ)設(shè)施需求的預(yù)測(cè)值稍高于《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》的規(guī)劃。

圖9 充換電需求與基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模預(yù)測(cè)

隨著超級(jí)快充、充儲(chǔ)一體、電池充電檢測(cè)的規(guī)?；瘧?yīng)用，充電業(yè)務(wù)的場(chǎng)景與商業(yè)模式還將更加靈活。其中換電具有特殊的商業(yè)特點(diǎn)，可以與充電優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)協(xié)同發(fā)展，智慧聯(lián)動(dòng)，共同為所有消費(fèi)者提供補(bǔ)電服務(wù)，尤其換電提供的可調(diào)度電池資源可用于緩解快充的配電壓力，助力交通深度電氣化。根據(jù)充電場(chǎng)景的劃分，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要求和技術(shù)方案匯總?cè)鐖D10所示。

圖10 充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

未來(lái)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的總體趨勢(shì)將包括充電服務(wù)能力快速提升、充電技術(shù)進(jìn)步與多元化發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)化與互聯(lián)互通趨勢(shì)、安全保障體系構(gòu)建和車網(wǎng)互動(dòng)的低碳智慧能源系統(tǒng)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)將會(huì)進(jìn)一步支撐交通與能源融合發(fā)展。

1.4 智能充電和車網(wǎng)互動(dòng)

1.4.1 無(wú)序充電的沖擊

根據(jù)1.1節(jié)和1.3節(jié)的預(yù)估，到十四五末期，將有約3 000萬(wàn)臺(tái)電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷接入電網(wǎng)，最大充電總功率將超過(guò)1億kW。電動(dòng)汽車充電帶來(lái)的海量分布式新增負(fù)荷，給電網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)調(diào)度帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

對(duì)197輛電動(dòng)汽車出行和充電行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到電動(dòng)汽車日出行里程、出行概率，以及充電起始SOC、單次補(bǔ)電量、充電起始時(shí)間等統(tǒng)計(jì)變量分布，如圖11所示。假設(shè)上述分布為電動(dòng)汽車的一般行為特征，結(jié)合電動(dòng)汽車數(shù)量和電力負(fù)荷增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)，采用蒙特卡洛模擬方法對(duì)2030年、2035年和2040年電動(dòng)汽車充電行為進(jìn)行建模，分別按照8 000萬(wàn)輛、1.8億輛、2.7億輛電動(dòng)乘用車計(jì)算，其中單輛車的充電時(shí)間的計(jì)算公式為

式中：為充電初始 SOC；為電池容量；為充電功率；為充電效率。而單個(gè)車輛出行和充電的特征參數(shù)由上述統(tǒng)計(jì)分布抽樣得到，如圖11所示。

圖11 電動(dòng)私家車日出行及充電特征統(tǒng)計(jì)

電動(dòng)汽車沖擊電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)如圖12所示，在2030年、2035年和2040年預(yù)測(cè)峰值負(fù)荷分別為15、17.8和19.3億kW的基礎(chǔ)上，如果采用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中無(wú)序充電的分布模式，由于充電的時(shí)間段集中在晚上和白天的用電高峰，電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷將使電網(wǎng)最高用電負(fù)荷分別增加約9.79%、12.19%和20.11%。采用智能有序充電和車網(wǎng)互動(dòng)的技術(shù)，有助于減小電網(wǎng)增容投資的壓力。

圖12 電動(dòng)汽車沖擊電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)

1.4.2 車網(wǎng)互動(dòng)的作用與潛力

根據(jù)1.3節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施部分預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)2030和2035年慢充樁數(shù)量將分別達(dá)到7 000萬(wàn)和1.5億臺(tái)；到2040年，車樁比能夠小于1∶1，即樁比車多。同時(shí)，在以私家車慢充為主的場(chǎng)景下，車輛停放時(shí)間長(zhǎng)、可接入電網(wǎng)數(shù)量大，電動(dòng)汽車具有參與大電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)的巨大潛力。根據(jù)出行期間無(wú)法參與車網(wǎng)互動(dòng)的約束條件，以及車載平均SOC的限制，得到的電動(dòng)汽車參與V2G的能量和功率潛力分別如圖13和圖14所示。

圖13 2040年日均電動(dòng)汽車可調(diào)度電量測(cè)算

圖14 2040年日均電動(dòng)汽車可調(diào)度功率測(cè)算

從能量的角度看，到2040年，我國(guó)電動(dòng)汽車保有量達(dá)到3億輛，每輛車平均電量大于65 kW·h，則車載儲(chǔ)能容量達(dá)到和超過(guò)200億kW·h，與我國(guó)每天消費(fèi)總電量基本相當(dāng)。若進(jìn)一步考慮出行需求，乘用車每日可靈活參與電網(wǎng)調(diào)度的平均電量仍可以達(dá)到104億kW·h。

從功率的角度看，到2040年，我國(guó)電動(dòng)汽車保有量達(dá)到3億輛，乘用車停充補(bǔ)電采用15 kW雙向充電樁，根據(jù)日出行概率分布，新能源汽車對(duì)電網(wǎng)功率支撐的能力達(dá)到29~35億kW，約為當(dāng)年全國(guó)非化石能源裝機(jī)總量的一半。

以北京為例，目前北京市電動(dòng)汽車保有量達(dá)到50萬(wàn)輛，如果乘用車停充補(bǔ)電采用15 kW雙向充電樁，新能源汽車對(duì)電網(wǎng)功率支撐的能力約700萬(wàn)kW，達(dá)到當(dāng)前北京市電網(wǎng)最大負(fù)荷的1/4。能夠滿足應(yīng)急備用和頻率與峰谷調(diào)節(jié)的需求。

采用文獻(xiàn)［17］中的方法，考慮電動(dòng)汽車出行和充電行為邊界，對(duì)高比例可再生能源場(chǎng)景下有序充電和車網(wǎng)互動(dòng)的具體場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)算。

2035年和2040年電動(dòng)汽車V2G場(chǎng)景分析如圖15所示。由圖可見(jiàn)，在風(fēng)電、光伏等可再生能源裝機(jī)的場(chǎng)景下（本分析中考慮風(fēng)、光發(fā)電占比分別為42%和56%，煤、氣發(fā)電占比為27%和12%），一方面有序充電將部分高峰期負(fù)荷轉(zhuǎn)移至發(fā)電量充足的時(shí)間段，另一方面電動(dòng)汽車V2G分布式儲(chǔ)能在日間提供了超過(guò)60和100億kW·h的能量，即便考慮波動(dòng)較大、工況惡劣的特殊天氣，電動(dòng)汽車分布式儲(chǔ)能也可以滿足3~5天內(nèi)的日間電量的調(diào)峰轉(zhuǎn)移。

圖15 2035年和2040年電動(dòng)汽車V2G場(chǎng)景分析

再進(jìn)一步，電動(dòng)汽車V2G還可擴(kuò)展為V2X（vehicle to everything），為家庭、樓宇、小區(qū)、微電網(wǎng)和大電網(wǎng)提供備用容量、峰谷調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)等服務(wù)，如圖16所示。根據(jù)美國(guó)加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO）定義，V1G指“單向管理充電服務(wù)”，即智能有序充電，僅改變汽車充電時(shí)間或充電速率；而V2X包含反向功率流，具有多種尺度調(diào)節(jié)潛力。

圖16 車輛與電網(wǎng)互動(dòng)的多種場(chǎng)景

1.4.3 車網(wǎng)互動(dòng)發(fā)展路徑展望

車網(wǎng)互動(dòng)的發(fā)展路徑要求深度耦合電動(dòng)汽車保有量和電力系統(tǒng)可再生能源滲透率的發(fā)展預(yù)期。隨著電動(dòng)汽車按照Logistic型曲線的激增，對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊逐漸增大，有序充電須首先實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，促進(jìn)新能源汽車的滲透。根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)情況，按照從易到難、由點(diǎn)及面、逐層推進(jìn)的思路，規(guī)劃出車網(wǎng)互動(dòng)發(fā)展路徑展望，如圖17所示。

圖17 車網(wǎng)互動(dòng)發(fā)展路徑展望

2021?2025 年：加快完善智能有序充電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，完善配套政策機(jī)制和建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)用和參與電力交易的試點(diǎn)；此階段V2G技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)準(zhǔn)備工作初步就緒，制定基礎(chǔ)設(shè)施改造與V2G車型商用化目標(biāo)，率先在重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)V2G商用試點(diǎn)。

2026?2030 年：智能有序充電成為主流建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式，電網(wǎng)對(duì)大功率快充場(chǎng)站和社區(qū)充電樁的接入能力顯著提升，電動(dòng)汽車消納綠電比例大幅提升；V2G率先在重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)商用化，V2G電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造范圍和比例快速提升；充電場(chǎng)站和新能源汽車用戶全面參與電力現(xiàn)貨、綠電交易和輔助服務(wù)市場(chǎng)交易。

2031?2035 年：智能有序充電模式實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率公共快充場(chǎng)站、自建專用場(chǎng)站以及社區(qū)和單位充電樁的全面覆蓋，實(shí)現(xiàn)高比例錯(cuò)峰充電與消納綠電。V2G實(shí)現(xiàn)居民區(qū)等規(guī)模商用場(chǎng)景覆蓋，日儲(chǔ)能調(diào)節(jié)潛力將達(dá)到80億kW·h左右。通過(guò)“外部煤電替代效益”，新能源汽車實(shí)現(xiàn)整體“凈負(fù)碳排放”，成為碳中和的重要支撐。

2036?2040 年：電動(dòng)汽車智能雙向互動(dòng)全面發(fā)展，滲透率預(yù)期達(dá)到100%。

2 氫能交通與氫能多元利用

氫能的產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、價(jià)值高、覆蓋面廣，被認(rèn)為是能源低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中理想的能源互聯(lián)媒介。氫能在能源低碳轉(zhuǎn)型中具有優(yōu)勢(shì)，其戰(zhàn)略意義在于可再生能源轉(zhuǎn)型中的大規(guī)模能量?jī)?chǔ)存與多元化利用需求，也是眾多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（化石、煤炭、電力、鋼鐵等）轉(zhuǎn)型升級(jí)的理性選擇。

氫能是集中式可再生能源大規(guī)模、長(zhǎng)周期、低成本儲(chǔ)存的最佳途徑，并將成為新能源電力系統(tǒng)的核心技術(shù)。第一，能源利用充分，大容量、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能模式能更充分利用季節(jié)性波動(dòng)的可再生能源。第二，規(guī)模儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)，固定式規(guī)模化的儲(chǔ)氫比電池儲(chǔ)電的成本低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。第三，與電池放電互補(bǔ)，二者不僅在儲(chǔ)能周期和動(dòng)態(tài)頻率上互補(bǔ)，并且氫能及其載體能夠用于燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等特殊場(chǎng)景。第四，制運(yùn)儲(chǔ)方式靈活，可以采用長(zhǎng)管拖車、管道輸氫或摻氫、長(zhǎng)途輸電至當(dāng)?shù)刂茪涞雀鞣N方式，還可以轉(zhuǎn)化為甲醇和氨等氫能載體進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)。

在氫能交通方面，氫能交通是氫能利用的先導(dǎo)，其使命是帶動(dòng)氫能的全面發(fā)展。目前，氫動(dòng)力主要包括氫內(nèi)燃機(jī)和氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)技術(shù)路線，其中氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展較快。作為氫能交通的先驅(qū)，氫燃料電池轎車將帶動(dòng)氫能在交通領(lǐng)域更廣泛應(yīng)用。

2.1 氫能發(fā)展現(xiàn)狀

人類認(rèn)識(shí)氫僅有200多年的歷史，由于其質(zhì)量能量密度高，較早地應(yīng)用于動(dòng)力和發(fā)電領(lǐng)域。目前，氫廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域，2018年全球各類氫產(chǎn)量為1.15億t，主要用于精煉、合成氨和合成甲醇，共占總消費(fèi)量的70.4%，同時(shí)陸續(xù)開(kāi)展了天然氣摻氫和氫冶金的示范。進(jìn)入 21世紀(jì)后，氫燃料電池汽車帶動(dòng)了氫能的商業(yè)化，并拓展到燃料電池機(jī)車和船舶等。中國(guó)氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)氫氣產(chǎn)量約3 342萬(wàn)t，主要用途是合成氨、合成甲醇等以及煉化與化工。如圖18所示，氫能的產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，附加值高，行業(yè)覆蓋面廣，本文中重點(diǎn)關(guān)注氫能在交通和電力領(lǐng)域的制取和應(yīng)用。

圖18 氫能產(chǎn)業(yè)鏈組成示意圖

氫燃料電池作為氫能應(yīng)用的核心技術(shù)和產(chǎn)品，近年來(lái)保持較高的增長(zhǎng)速率。按功率計(jì)，2020年全球交通用燃料電池出貨量占全部燃料電池出貨總量的75.3%，如圖19所示。截至2020年底，全球氫燃料電池汽車保有量為34 804輛，其中亞洲占65%、北美占27%、歐洲占8%。

圖19 2016?2020年全球燃料電池出貨量

氫的生產(chǎn)按照制氫技術(shù)路線主要有化石原料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和水電解制氫。隨著能源體系轉(zhuǎn)型，制氫方式將從目前的化石原料制氫為主導(dǎo)逐步過(guò)渡到以可再生能源水電解制氫為主導(dǎo)。水電解制氫產(chǎn)業(yè)鏈組成如圖20所示。

圖20 水電解制氫產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

當(dāng)前全球氫氣大部分來(lái)自于化石燃料。國(guó)際能源署（IEA）報(bào)告指出，2018年全球純氫需求量約為7 000萬(wàn)t，含氫合成氣約4 500萬(wàn)t，僅有不到0.7%來(lái)自可再生能源或者在生產(chǎn)氫的過(guò)程中配備碳捕集、利用和封存設(shè)施（CCUS）。生產(chǎn)氫氣的CO排放量達(dá)8.3億t。而由可再生能源電解制得的氫氣不造成額外的碳排放，被認(rèn)為是真正意義上的“綠氫”。

綠氫應(yīng)用可有效降低生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放。生產(chǎn)1 t鋼鐵、1 t氨和1 t甲醇的CO排放分別為1.4、2.4和 2.1 t，2020 年鋼鐵、氨和甲醇的生產(chǎn)共排放32.7億t CO，生產(chǎn)過(guò)程共計(jì)需要約5 000萬(wàn)t氫氣。按照 2018 年生產(chǎn) 1 t氫氣排放 11.23 t CO來(lái)計(jì)算，若上述過(guò)程使用綠氫，則可以減少5.6億t CO排放，對(duì)工業(yè)領(lǐng)域減排具有顯著貢獻(xiàn)。同時(shí)，氫也可用于民用領(lǐng)域，如合成天然氣。我國(guó)有大量的焦?fàn)t煤氣、工業(yè)副產(chǎn)氫用于合成天然氣，以彌補(bǔ)天然氣進(jìn)口量不足；歐洲也在居民用天然氣中摻氫以減少碳排放。

總結(jié)來(lái)看，氫能的戰(zhàn)略意義在于其在可再生能源轉(zhuǎn)型中的大規(guī)模能量?jī)?chǔ)存與多元化利用需求，作為彈性能源載體可以連接不同能源行業(yè)和輸配網(wǎng)絡(luò)，在能源低碳轉(zhuǎn)型中具有較好的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，如圖21所示。第一，氫能是眾多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的理性選擇，技術(shù)延展性好，而不是完全顛覆原有產(chǎn)業(yè)；第二，氫能產(chǎn)業(yè)鏈廣、產(chǎn)值高、吸收就業(yè)人口多、應(yīng)用覆蓋面廣，可廣泛用于石油煉制、化肥、集成電路等產(chǎn)業(yè)，并帶動(dòng)電解槽、燃料電池和儲(chǔ)能裝備等的發(fā)展；第三，氫能既有能源屬性，可用于可再生能源的儲(chǔ)存，還具有原料屬性，綠氫可以用于發(fā)電或者作為綠氨或者綠色碳?xì)淙剂系鹊暮铣稍稀?/p>

圖21 氫能戰(zhàn)略意義

2.2 綠氫發(fā)展技術(shù)路線

水電解制氫技術(shù)被認(rèn)為是目前最經(jīng)濟(jì)可行的清潔制氫方式。典型的水電解制氫方式包括堿性（Alkaline）電解、質(zhì)子交換膜（PEM）電解、陰離子交換膜（AEM）電解和固體氧化物（Solid oxide）電解4種，如圖22所示。

圖22 4種典型的水電解制氫技術(shù)原理

作為可再生能源消納和綠氫制取的重要方式，推廣合理的制氫方式對(duì)行業(yè)發(fā)展和政策制定有重要影響。從技術(shù)成熟度上來(lái)看，堿性電解技術(shù)的成熟度最高，陰離子交換膜電解技術(shù)的成熟度最低；從與可再生能源耦合難易的角度來(lái)看，質(zhì)子交換膜電解的動(dòng)態(tài)性最佳，負(fù)荷范圍最廣；從大規(guī)模儲(chǔ)能和利用的角度來(lái)看，固體氧化物電解能夠?qū)崿F(xiàn)同一套裝置的可逆操作，既可以正向水電解，也可以反向進(jìn)行發(fā)電，且不局限于氫氣，最適合用于可再生能源的大規(guī)模存儲(chǔ)和利用。

除了水電解制氫之外，還有其他的技術(shù)路線可供政策制定者參考。碳?xì)浠衔镏卣茪?、氨分解制氫等技術(shù)相對(duì)成熟；高溫?zé)峤馑茪?、光電解與光催化水分解制氫和生物質(zhì)氣化制氫等技術(shù)也具有一定的應(yīng)用前景。

2.3 氫能交通發(fā)展

目前發(fā)展較為迅速的氫能交通，主要是燃料電池汽車，有助于帶動(dòng)氫能的全面利用。截至2021年8月底，根據(jù)工信部發(fā)布公告顯示，燃料電池汽車公告累計(jì)384款（不含底盤）。針對(duì)目前已經(jīng)發(fā)布的燃料電池車，按照汽車總質(zhì)量與續(xù)駛里程定位，結(jié)果如圖23所示。目前主要車型的續(xù)駛里程集中在200?800 km，僅有少量車型達(dá)1 000 km以上。

圖23 燃料電池車質(zhì)量與續(xù)駛里程分類

車用燃料電池的整體發(fā)展目標(biāo)是高功率密度、長(zhǎng)壽命、低成本，但是乘用車與商用車的側(cè)重點(diǎn)有所不同。據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，面向乘用車的燃料電池電堆的要求是低成本和高功率密度。商用車日均行駛里程遠(yuǎn)比乘用車長(zhǎng)，使其使用成本占據(jù)全壽命周期成本的主導(dǎo)地位。為此，面向商用車的燃料電池電堆要求長(zhǎng)壽命和高效率。

對(duì)于車用燃料電池，目前主要存在石墨雙極板和金屬雙極板兩大技術(shù)路線。其中，國(guó)際上金屬板電堆以豐田公司的MIRAI為典型代表，石墨板電堆以巴拉德為典型代表。總體而言，國(guó)內(nèi)燃料電池產(chǎn)品研發(fā)比國(guó)外晚，但其功率密度和冷啟動(dòng)能力已經(jīng)與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng)。目前，國(guó)內(nèi)的金屬板和石墨板燃料電池系統(tǒng)在功率等級(jí)、功率密度、峰值效率和冷啟動(dòng)能力方面相當(dāng)。石墨板電堆相比金屬板電堆存在壽命方面的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外典型燃料電池的輸出功率和比功率的分布如圖24所示，石墨板和金屬板兩種系統(tǒng)的總功率與比功率皆呈正相關(guān)關(guān)系。

圖24 典型燃料電池產(chǎn)品輸出功率和比功率分布

2.4 氫能多元利用

2.4.1 氫儲(chǔ)能

氫作為一種能源載體，在未來(lái)高比例可再生能源場(chǎng)景下可作為長(zhǎng)周期儲(chǔ)能的選擇。典型儲(chǔ)能路徑比較如圖25所示，在所有儲(chǔ)能技術(shù)中，氫及其載體（氨、甲醇等）更適用于長(zhǎng)周期儲(chǔ)能，這主要得益于氫儲(chǔ)能容量和功率解耦特性，即成本不會(huì)隨著儲(chǔ)能周期的延長(zhǎng)而顯著增加，而電化學(xué)儲(chǔ)能成本則隨著放電時(shí)長(zhǎng)增加有顯著增長(zhǎng)。

圖25 典型儲(chǔ)能路徑比較［35］

雖然相比于其他儲(chǔ)能方式，氫儲(chǔ)能更加適用于長(zhǎng)周期大規(guī)模存儲(chǔ)，但目前氫儲(chǔ)能還有待在效率、成本等方面進(jìn)一步突破。隨著可再生能源制氫技術(shù)和氫或氨熱機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，預(yù)計(jì)到2040年采用氫或氨儲(chǔ)能的度電成本將顯著低于采用碳捕捉與封存技術(shù)的天然氣發(fā)電廠。圖26展現(xiàn)了氫儲(chǔ)能的典型應(yīng)用場(chǎng)景，在發(fā)電側(cè)，可再生能源富余時(shí)水電解制氫并存儲(chǔ)，可以合成其他氫載體用于長(zhǎng)途輸運(yùn)，或者在可再生能源出力不足時(shí)向電網(wǎng)送電；在電網(wǎng)側(cè)，可以采用谷電制氫，用作化工原料或火電廠集中發(fā)電的燃料。

圖26 發(fā)電側(cè)與電網(wǎng)側(cè)氫能存儲(chǔ)

2.4.2 氫能在集中發(fā)電場(chǎng)景中的應(yīng)用

由2.3節(jié)可知，氫儲(chǔ)能的方式包括純氫和氨與甲醇等氫的化合物。其中氫和氨是目前集中發(fā)電場(chǎng)景中的兩種主流氫能載體。以氫和氨為燃料的發(fā)電裝置主要包括氫/氨燃料電池、氫/氨內(nèi)燃機(jī)、氫/氨燃?xì)廨啓C(jī)3類。

對(duì)于燃料電池，以氫為燃料主要包括質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），以氨為燃料主要以SOFC為主。PEMFC通常在約80℃溫度下工作，能夠快速響應(yīng)荷載變化，因此適合交通運(yùn)輸應(yīng)用，以及需要快速啟動(dòng)或必須對(duì)荷載變化做出反應(yīng)的固定式、備用或便攜式電源中。相比PEMFC，SOFC的工作溫度更高（800~1 000℃），效率也更高，但是壽命較短且變載能力差，因而更適合應(yīng)用于模塊化和公用規(guī)模的集中發(fā)電系統(tǒng)。

將現(xiàn)有的柴油/汽油（或天然氣）內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行改造以適應(yīng)氫/氨燃料是快捷且開(kāi)發(fā)成本較低的方法。但是，由于氫/氨與柴油、汽油特性的不同，面向氫/氨燃料的內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)改造仍面臨較多挑戰(zhàn)。氫/氨與汽油、柴油等常規(guī)燃料的燃料特性對(duì)比如表2所示。相比汽油和柴油，氨的點(diǎn)火溫度明顯較高，而熱值明顯較低，導(dǎo)致氨燃料點(diǎn)火困難且能效較低，此外氨還存在腐蝕、排放、裂解等問(wèn)題；氫的體積能量密度明顯較低（2.1 MJ/L），僅為汽油的1/15，但火焰速度更快（291 cm/s），約為汽油的4倍，導(dǎo)致氫內(nèi)燃機(jī)易爆燃，因此只能采用較小的壓縮比，導(dǎo)致輸出功率和能效較低。通過(guò)與其他燃料摻混實(shí)現(xiàn)燃燒調(diào)控是改善氫與氨燃燒特性和能效的重要措施。隨著技術(shù)的發(fā)展，提高氫氣占比甚至純氫燃燒是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

表2 氫/氨和常規(guī)燃料特性對(duì)比［37-41］

再進(jìn)一步，熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（gassteam turbine combined cycle，GTCC）是提高氫/氨集中發(fā)電系統(tǒng)能效的重要方法。對(duì)于氫燃料PEMFC，采用熱電聯(lián)供后能效可提升至80%；對(duì)于氨SOFC，能效可達(dá)到60%?90%。對(duì)于F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)，采用聯(lián)合循環(huán)后循環(huán)熱效率由38%提升至57%；對(duì)于G/H/J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，循環(huán)熱效率可由單循環(huán)40%?41%提升至聯(lián)合循環(huán)60%?61%。

3 智能化新能源電力系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)框架

從新能源革命的角度看，新能源汽車和儲(chǔ)能共同載體是電和氫，基于前面第1和第2大節(jié)的論述，新能源汽車作為分布式儲(chǔ)能潛力巨大，由氫能交通帶動(dòng)的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈也將構(gòu)成未來(lái)大規(guī)模、長(zhǎng)周期電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的主要形式，因此新能源汽車的規(guī)模推廣將有力破解新能源革命過(guò)程中的儲(chǔ)能瓶頸。

從微觀場(chǎng)景看，如圖27所示，未來(lái)加氫站、超級(jí)快充與儲(chǔ)能和換電系統(tǒng)耦合，能夠適應(yīng)城市和高速公路快速補(bǔ)電場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了光伏、氫能和電池的互補(bǔ)，是一種重要的發(fā)展趨勢(shì)。

圖27 光儲(chǔ)充氫一體化系統(tǒng)示意圖

從宏觀場(chǎng)景看，新能源汽車的車載儲(chǔ)能能夠和電力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和建筑相互作用，氫能可以與化工產(chǎn)業(yè)密切結(jié)合，以新能源汽車為核心能量樞紐的未來(lái)能源系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用潛力。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的電動(dòng)汽車靈活智能互動(dòng)，還須通過(guò)虛擬電廠、多智能體和區(qū)塊鏈等技術(shù)，把海量小功率靈活用電負(fù)荷通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接到智能聚合平臺(tái)，形成虛擬的大負(fù)荷，從而可以采用能源互聯(lián)網(wǎng)中諸如人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，如圖28所示。

圖28 分布式儲(chǔ)能調(diào)節(jié)資源聚合關(guān)鍵技術(shù)展望

3.2 計(jì)算實(shí)例

本實(shí)例結(jié)合光伏、風(fēng)電、火電，將車用動(dòng)力電池、電化學(xué)儲(chǔ)能、氫能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)時(shí)變能量平衡進(jìn)行建模分析?？紤]煤電機(jī)組爬坡速率（即功率增長(zhǎng)速率）和啟停最低時(shí)長(zhǎng)等靈活性約束，計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施投資、運(yùn)行成本和排放成本協(xié)同的混合整數(shù)線性規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題（MILP）。

目標(biāo)函數(shù)為

式中：為投資成本，含風(fēng)電、光伏新增容量投資以及儲(chǔ)能系統(tǒng)和氫能系統(tǒng)投資；為系統(tǒng)運(yùn)行成本，主要含火力發(fā)電的燃料成本；為各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)維成本，簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將年運(yùn)維成本設(shè)定為各個(gè)子系統(tǒng)裝機(jī)成本的3%。

功率平衡約束方程為

儲(chǔ)能電池的約束條件為

其他儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)的約束還包括電池容量限制和儲(chǔ)氫罐容量限制，以及充放電效率、制氫和燃料電池發(fā)電效率。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)表3?；鹆C(jī)組的爬坡速率、啟停時(shí)間等靈活性約束選取文獻(xiàn)［44］中的兩種機(jī)組設(shè)定，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 案例參數(shù)設(shè)定

表4 火電機(jī)組參數(shù)設(shè)定

在此節(jié)中，以西北地區(qū)某省的風(fēng)電、光伏和負(fù)荷出力數(shù)據(jù)為算例，如圖29所示。按照2030年峰值負(fù)荷為1.1億kW，風(fēng)電裝機(jī)量不少于10%，光伏裝機(jī)量不少于10%，火電裝機(jī)不多于60%來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和優(yōu)化，優(yōu)化流程如圖30所示。

圖29 西北某省輸入負(fù)荷和風(fēng)電、光伏年度數(shù)據(jù)

圖30 優(yōu)化流程

表5列出了各類電源與儲(chǔ)能裝機(jī)和發(fā)電量的優(yōu)化結(jié)果，圖31示出選取的時(shí)間段內(nèi)發(fā)電?負(fù)荷功率平衡和儲(chǔ)能與氫能的充放電情況。從氫氣質(zhì)量變化的曲線來(lái)看，由于氫能功率和能量解耦的特性，適用于長(zhǎng)周期、大規(guī)模的存儲(chǔ)，而電池儲(chǔ)能在日內(nèi)的短周期儲(chǔ)能中發(fā)揮了功率平衡的作用。圖32為氫和儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)電力平衡成本比較。將優(yōu)化結(jié)果與其他幾種場(chǎng)景設(shè)置得到的總費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在保證電力供需平衡的前提下，氫能的引入也顯著降低儲(chǔ)能電池投資成本，從而降低了整個(gè)電力系統(tǒng)的投資成本。在該地區(qū)使用氫+儲(chǔ)的方案比單純使用電化學(xué)儲(chǔ)能降低67%的成本。

表5 案例優(yōu)化結(jié)果

圖31 可再生能源?氫?儲(chǔ)能系統(tǒng)小時(shí)級(jí)平衡

圖32 氫和儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)電力平衡成本比較

4 結(jié)論

本文聚焦碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能瓶頸，提出了以新能源汽車為核心樞紐的儲(chǔ)能、氫能和智能耦合系統(tǒng)，并論證了其在技術(shù)、成本、規(guī)模等方面的優(yōu)勢(shì)和可行性。

在儲(chǔ)能方面，對(duì)新能源汽車市場(chǎng)發(fā)展、電池技術(shù)路線、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、出行行為和技術(shù)要求進(jìn)行了評(píng)估預(yù)測(cè)，并測(cè)算了車網(wǎng)互動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的能量和功率潛力，3億輛電動(dòng)汽車靈活調(diào)節(jié)容量超過(guò)100億kW·h，車載電池與電網(wǎng)互動(dòng)是安全性高、成本低、規(guī)模大的分布式儲(chǔ)能方式。

在氫能方面，對(duì)制氫技術(shù)、燃料電池、氫能交通和氫能多元利用的技術(shù)進(jìn)行了綜述和展望，氫和氫載體由于其能量和功率解耦的特性，適用于長(zhǎng)周期、大規(guī)模的能量轉(zhuǎn)換，未來(lái)有望替代燃煤和燃?xì)鈾C(jī)組成為新型低碳電力系統(tǒng)中的重要靈活性發(fā)電環(huán)節(jié)。

最后，在智能方面，對(duì)電動(dòng)汽車充換電、儲(chǔ)能電站和氫能利用一體化的能源電力系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了展望，并且通過(guò)優(yōu)化算例驗(yàn)證了儲(chǔ)能和氫能分別進(jìn)行短周期和長(zhǎng)周期調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性。算例顯示，引入氫?儲(chǔ)耦合系統(tǒng)比單獨(dú)使用電化學(xué)儲(chǔ)能節(jié)約一半以上成本。

總而言之，面向碳中和的新能源汽車革命將引發(fā)交通和能源融合的技術(shù)變革，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變提供有力的技術(shù)支撐。

感謝作者所在的清華大學(xué)新能源動(dòng)力系統(tǒng)科研團(tuán)隊(duì)成員楊福源、徐梁飛、李亞倫、郝旭、諸斐琴、劉彪、鄭偉波、秦宇迪、盧宇芳在本文撰寫過(guò)程中的協(xié)助。