毫无疑问,电动汽车 (EV) 是现代交通持续成功的一个案例。

丰田普锐斯 (Prius) 是第一款采用电力驱动的现代量产汽车[1],将小型、高效、1.5 升汽油发动机与电动机相结合,从制动(再生制动)中回收能源,提高燃油效率。自从安利捷近七十年的业务合作伙伴丰田公司在 1997 年推出普锐斯以来,使用电池电源来补充或替代内燃机的汽车的销量不断上升,这要得益于经济和性能提升以及环境和监管问题等对驾车者的好处,并受到许多国家/地区税收或实际益处(如免费市内停车)等激励措施的推动。

到 2021 年底,欧洲[2]五分之一的新车和中国[3]七分之一的新车可以插上电源充电,而不是到加油站加油。最初,像普锐斯这样的混合动力车开始获得大众的认可。但是,随着电池技术在过去五年飞速发展,在道路上行驶的纯电动汽车 (EV) 不断增加。

电动汽车迅猛发展,而此时整体汽车销量却在下滑[4]。到 2030 年,在英国和丹麦销售没有电动传动系统的新车将变得不合法[5][6]。到 2030 年,甚至混合动力车也会被禁止。大多数欧洲国家都有类似的目标,而到 2035 年,中国将禁止使用纯柴油或汽油汽车。

消费者热衷于购买电动汽车,是因为电动汽车的运行成本更低,行驶起来更安静、更平稳,维护更简便且环保。包括特斯拉、RIVIAN、蔚来汽车和 Polestar 等全电动汽车颠覆者在内的制造商正在迅速提高其能力,以便向各个细分市场推出新的创新车型来满足不断增长的需求。丰田计划到 2030 年推出包括送货车在内的 30 款电池电动车型,这是其每年销售 350 万辆电池电动汽车 (BEV) 目标的一部分(目前为 200 万辆),而该公司全球汽车总销量为 1,000 万辆。

在宣布丰田的电动汽车战略时,总裁 Akio Toyoda 透露了预计到 2030 年该公司将投入 350 亿美元开发的 16 款电动汽车。(图片来源 © 丰田汽车公司)

电动汽车遍布所有领域

电动乘用车在大街上可能已经很常见,但电池电源并不局限于一种交通工具。电动公交车正取代柴油车,中国深圳 2020 年率先实现整个车队电动化。

电动货车出现较晚,但日产、雷诺和梅赛德斯现在都推出了电动车系列,而随着福特全顺电动车的问世,[7]这些公司无疑也正在成为主流。

加州电动汽车初创公司 Neuron EV 推出了一款全电动大卡车“TORQ”,与特斯拉和现代竞争。(图片来源 © Neuron EV)

初创公司 Arrival[8] 和 Volta [9]以及老牌制造商沃尔沃、DAF 和梅塞德斯都在生产更大型的商用车。

甚至最大的铰接式卡车也将很快改用电池电源,其巨大的电池和充电系统正在开发中,可提供高达 2MW[10] 的电力,满足长途和重载需求

在展厅之外,一个同样更大但不太明显的转变正在发生。

内燃机汽车需要油罐车和加油站等庞大的基础设施来维持其运行,而电动汽车需要电网来维持其运行,然而我们现有的电力系统无法应对这一基础设施。世界各地的监管机构、供电公司、电网运营商、本地配电网络和充电点运营商都面临一个巨大的挑战:随着电动汽车越来越受欢迎,我们如何确保有足够的电力适时让每个人都能够继续驾车行驶?

是挑战,而不是难题

电力供应专家并不希望淡化所需转型的严峻性,但他们也清楚,通过适当的规划和投资,我们完全有能力为未来的电气化交通提供充足的电力[11]。这在一定程度上要归功于电网和新一代设施的升级,但可能也要感谢对现有资产的巧妙优化,以及利用数据来分散额外负载。

例如在德国,麦肯锡公司的专家发现,如果在完全不受管理的情况下,每个人都立即给电动汽车插上电源充电,那么到 2030 年,德国的电网可能需要额外增加 5GW 的峰值容量[12]。这相当于六个大型现代燃气发电站,而这会削弱该国到 2035 年实现净零电网的宏伟目标[13]。幸运的是,有许多解决方案可以将峰值降至最低,改为使用清洁能源。

本地输电网络可以看到需求高峰出现的位置和时间。在电动汽车密集度高的地区,例如配备驱动器、车库和家用充电器的市郊住宅区,或商用车场,下班后可能会出现高峰期,这时车辆会停止行驶并插上电源充电,为第二天早上的出行做好准备。这给本地换能中心带来了压力,短期内可通过使用石油和天然气(或者采用更可持续的方法,使用更高效、低碳或零碳能源)增加发电量来满足这一需求。

主动和被动解决方案

电力公司、政府以及越来越多的公众舆论都认为,仅仅建造新的发电站并不能应对即将到来的挑战。建造在特定地区每天只在几个高峰时段使用的大型集中式温室气体排放设施既昂贵又浪费。

解决电网这一局部压力的更明智的解决方案可分为两类:主动和被动。

被动解决方案将行动交由消费者掌控,激励他们使用计时器,以充分利用夜间非高峰时段的低价电源。例如,英国的 Octopus Go[14] 电价目前在凌晨仅收取 7.5p/kWh,不到全国平均电价的一半,这对于受欢迎的电动汽车相当于每英里 3 便士。

一些电价反映了不断变化的电力价格,因此自己拥有储能系统(家用电池或智能热水和供热系统)的家庭可以在多风或阳光明媚的天气享受较低的价格。有时,电价甚至会跌到零以下,这实际上是向住户支付费用,让他们吸收多余电力来平衡电网[15]

主动解决方案涉及供电公司、电网运营商以及利用数据远程控制公共和私人充电点的本地输配电网络。他们可确保汽车在需要的时候有足够的时间正常充电,但不一定在插上电源后就立即充电。

这种控制可以从换能中心开始,在那里可以以合理的成本部署本地储能设施,所需成本远低于建造新的发电厂。这些设施可在非高峰时段,利用白天更充足的太阳能和风能等过剩的可再生能源缓慢地充电,并在充电开始时补充供电[16]。另外,智能电表和充电器也可以记录何时需要用车,然后相互通信以平衡整个区域夜间的负载。[17]

同样,商用车场也可以使用自己的调度软件来创建自己的本地版本,既可最大限度减少其私人电线网络所需的容量,从而降低成本,又仍然可以通过在夜间将充电分散到多台车辆来满足大型车队的需求。

随着车辆到电网能力的日益普及,电动汽车本身也可以成为电网资产。不需要充电的插电式汽车可以在可用时通过吸收多余的可再生能源和零碳发电,并在需要时将其排放,从而使该地区的需求保持平稳。这样就无需使用需要土地和投资的固定电池,而仍可为社区提供高质量的稳定供电。

在家里充电的福特 F150 Lightning。(图片来源 © 福特汽车公司)

虽然最初几代电动汽车可能没有具备车辆到电网充电的功能,但它越来越普遍。

福特的 F150 Lightning 电动皮卡都将该功能作为标配,许多尼桑汽车和广受欢迎的现代 Ioniq5 也一样。

大众、雷诺、Polestar 和沃尔沃即将推出的车型将能够在需要时使电力从汽车电池推回电网。在农村和郊区,私家车道和车库更普遍,未使用的汽车更有可能插上电源充电,车辆到电网的容量也将大大减少对激增升级的需求。

远离人口中心的智能升级

农村地区可能需要最广泛、最高昂的电网升级来满足快速充电要求,而本地存储容量也可以为其提供极具成本效益的解决方案。

个人房屋或小团体可以共享已不再用于采用低压电源的电动汽车的低成本电池。这种本地激增容量可在一天的大部分时间缓慢充电,然后在高峰时段使用,提供现代驾驶员期望的 7kW 电力。

安装本地存储设施不仅避免了在更偏远社区升级电网的高昂成本,还避免了延迟。本地解决方案避免了从大型换能中心到每个农舍和小村庄加强电网的必要性,使农村房主可以享受电动驾驶的优势,而不必担心老旧的电路过载。

稀缺的工程能力和监管要求往往使农村电网加强工作比需要的更耗时。这可能使网络难以跟上快速增长的需求。

对等待时间长或充电点网络不可靠的地区进行的研究表明,电动汽车的普及率要低得多。北爱尔兰[18]就是这样一个例子,由于缺乏公共充电网络投资和监管机构在电网工作方面的拖延,消费者的信心受到打击,致使路上行驶的电动汽车比率停滞在 0.4%,与全球电动汽车使用率最高的挪威的 17% 相比,微不足道。

缺乏充电标准

可能阻碍电动汽车普及的另一个因素是缺乏全球充电标准。

电动汽车车主可采用三种充电级别:

  • 交流充电 1 级:使用标准 110V 插座,以每小时 5 英里的速度为车辆充电。
  • 交流充电 2 级:对于在家里充电的车主来说,这是最受欢迎的充电类型。使用 240V 插座,以每小时 10 至 30 英里的速度充电。
  • 直流快速充电(3 级):这在商业或工业环境中最常见。快速充电器可在一小时内提供多达 150 英里的电量。

快速充电是公共充电器的“黄金标准”,但由于全球存在四种竞争性快速充电协议,每种协议都使用一系列不同的连接器,因此情况更加复杂,如下表所示:

从长远来看,就像 20 世纪 80 年代的 Betamax/VHS“视频战争”一样,一两个标准将不可避免地占据主导地位。但在短期内,这是电动汽车车主、制造商和监管机构需要考虑的另一个因素。全球对公共充电基础设施的投资不一致也是原因之一。尽管所有市场都在加快推出公共充电器(快充和慢充)(根据国际能源署的数据,2020 年公共充电点数量高达 130 万个[19]),但各国之间仍存在相当大的差距。例如,在欧盟,大多数国家在 2020 年未能达到建议的公共充电器与电动汽车的比例[20]

 

驾驶电动汽车是一种卓越的体验

尽管面临这些挑战,但世界各国政府仍下决心致力于创造一个人类活动不会继续通过排放有害的碳基温室气体来破坏气候的未来。蓬勃发展的替代燃料行业希望增长,消费者对电动汽车的接受程度越来越高,而燃料来源更加多样化对我们所有人都有好处。那么对于车主而言,在个人层面上能够获得什么样的好处呢?

在以往,消费者对电动汽车的信心由于对所谓的“里程焦虑”、缺乏便利的充电点和购买价格的担忧而受到打击[21]。但现在,所有这些因素都因为技术进步、投资加大和更有利于电动汽车的监管策略而逐步得到解决。

电动汽车不仅仅是有助于拯救地球的利好决定。消费者逐渐意识到,驾驶电动汽车在各方面都比驾驶汽油车或柴油车的体验更好,而且一直变得越来越好。行驶更平稳、更顺畅、更安静,制动更清晰、更快速,加速可以“明显”加快,从而增加了一些“基于乐趣的”动力来换车。

电动发动机比内燃机要小,电池在设计上安装在车辆地板下,因此电动车内部空间更大。更少的运动部件还可以减少故障。借助可靠的充电点,电动车驾驶员只需在结束一天的行程后插上电源即可,不会再发生停车加油的不便情况。

快速下降的电池价格和政府补贴意味着新电动汽车的成本正在接近传统汽车,而燃料和维护成本的大幅降低意味着拥有一辆电动汽车的寿命周期成本多年前就低于汽油的成本[22]

即使在工作场所或停车场大规模部署家用快速充电器或公共快速充电器之前[23],也只有不到 1% 的电动汽车驾驶员会改用回汽油或柴油车。一旦体验过,驾驶员就会意识到拥有电动汽车是更好的选择。正是这种对消费者的吸引力推动了电动汽车技术的快速普及,并对电网提出了新的要求。

虚拟发电厂

固定式储能、智能充电和车辆到电网相结合,形成了所谓的虚拟发电厂,这是电力基础设施中的一个关键因素,可以让电动汽车在不违背政府碳排放目标的情况下继续行驶。这种从集中规划和大型工业化发电到小型自主单元、循环经济规划和智能配电的模式转变,最终将消除对高峰期发电厂的需求,实现真正的零碳电动交通。从无线充电或电池交换,到车顶太阳能电池板和在您驾驶时为车辆充电的道路等一系列令人兴奋的全新电动汽车充电技术,将有助于实现这一转型。

各国政府实现了碳目标、电力公司节省了建造新发电站的支出、消费者以更低的成本获得更可靠、更灵活的电源,所有这一切都得益于规划和智能工程的力量。零碳可持续性未来不仅令人向往,指日可待。

电动汽车销售热潮表明,采用电池供电的汽车正处于单向发展的轨道上。通过制造商、发电商、分销商以及至关重要的当地政府之间的规划和合作,出行方式的这一巨大转变可以顺利实现而不会受到干扰,从而为消费者和地球带来巨大裨益。

 

[1] https://global.toyota/en/prius20th/evolution/

[2] https://www.ey.com/en_gl/energy-resources/as-emobility-accelerates-can-utilities-move-evs-into-the-fast-lane

[3] https://www.scmp.com/business/china-business/article/3163005/electric-cars-account-over-20-cent-chinas-new-vehicle-sales

[4] https://www.oica.net/category/sales-statistics/

[5] https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/market-insights/latest-news/oil/111820-factbox-uk-brings-forward-ban-on-new-ice-cars-to-2030

[6] https://www.euractiv.com/section/electric-cars/news/denmark-to-ban-petrol-and-diesel-car-sales-by-2030/

[7] https://www.ford.co.uk/vans-and-pickups/e-transit

[8] https://www.thetimes.co.uk/article/electric-van-maker-arrivals-big-plan-to-start-small-ch3cb9s2q

[9] https://www.commercialfleet.org/news/truck-news/2021/11/03/volta-zero-revealed-in-production-ready-form

[10] https://electrek.co/2018/05/10/chargepoint-2-mw-charger-electric-aircraft-and-semi-trucks/

[11] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/the-potential-impact-of-electric-vehicles-on-global-energy-systems

[12] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/the-potential-impact-of-electric-vehicles-on-global-energy-systems

[13] https://time.com/6124079/germany-government-green/

[14] https://octopus.energy/go/

[15] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666792421000652

[16] https://new.abb.com/news/detail/46325/the-future-of-the-power-grid-in-the-coming-era-of-e-mobility

[17] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/the-potential-impact-of-electric-vehicles-on-global-energy-systems

[18] https://www.assemblyresearchmatters.org/2021/11/02/are-electric-cars-a-realistic-alternative-to-petrol-and-diesel-in-northern-ireland-today/

[19] https://iea.blob.core.windows.net/assets/ed5f4484-f556-4110-8c5c-4ede8bcba637/GlobalEVOutlook2021.pdf

[20] https://iea.blob.core.windows.net/assets/ed5f4484-f556-4110-8c5c-4ede8bcba637/GlobalEVOutlook2021.pdf

[21] https://today.yougov.com/topics/consumer/articles-reports/2020/10/23/whats-stopping-americans-buying-electric-cars

[22] http://evtc.fsec.ucf.edu/research/project6.html

[23] https://www.energylivenews.com/2022/01/12/ev-drivers-have-no-interest-in-returning-to-petrol-or-diesel/#:~:text=Less%20than%201%25%20of%20electric,cars%20and%20lower%20running%20costs.