車(chē)電儲(chǔ)能概念及現(xiàn)狀
隨著可再生能源發(fā)電比重不斷升高，發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)將是彌補(bǔ)電力系統(tǒng)靈活性不足的根本途徑，但我國(guó)已建儲(chǔ)能裝機(jī)容量不足全國(guó)發(fā)電裝機(jī)1.5%，加之國(guó)內(nèi)天然氣發(fā)電、庫(kù)容式水電等傳統(tǒng)調(diào)峰資源貧乏，有限的抽水蓄能資源也無(wú)法滿足未來(lái)能源清潔化轉(zhuǎn)型的巨大需求。雖然近年來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)(如鋰離子電池、液流電池等) 得到一定發(fā)展，但其裝機(jī)規(guī)模僅占全部?jī)?chǔ)能裝機(jī)數(shù)量的不足1%，不足以在短期內(nèi)實(shí)質(zhì)性地填補(bǔ)儲(chǔ)能供應(yīng)缺口。
電動(dòng)汽車(chē)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)交通能源轉(zhuǎn)型和汽車(chē)工業(yè)趕超的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，我國(guó)較早開(kāi)展了電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和實(shí)施了商業(yè)化扶持政策，有力推動(dòng)了我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。2017年全國(guó)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到77.7萬(wàn)輛，累計(jì)推廣量超過(guò)180萬(wàn)輛，占全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的一半以上。當(dāng)前德、法、英、挪、荷、印等國(guó)家紛紛提出燃油汽車(chē)退出目標(biāo)，我國(guó)也制定了2020年新能源汽車(chē)銷(xiāo)量和保有量分別達(dá)到200萬(wàn)輛和500萬(wàn)輛的發(fā)展目標(biāo)，而2018年開(kāi)始實(shí)施的《乘用車(chē)企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車(chē)積分并行管理辦法》更意味著交通電動(dòng)化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。
隨著電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量不斷擴(kuò)大，電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能日益受到行業(yè)關(guān)注。電動(dòng)汽車(chē)也可被視為分布式儲(chǔ)能設(shè)施，可與分布式能源、可再生能源等結(jié)合形成微網(wǎng)系統(tǒng)，也可應(yīng)用于電力需求響應(yīng)，根據(jù)系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)充放電變化。電動(dòng)汽車(chē)普及后的調(diào)控規(guī)模非?？捎^，結(jié)合先進(jìn)電力電子通訊控制技術(shù)、合理的充放電設(shè)施布局及引導(dǎo)性的電價(jià)政策，電動(dòng)汽車(chē)在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性方面具有巨大應(yīng)用潛力。
國(guó)外對(duì)車(chē)電儲(chǔ)能的研究開(kāi)始較早，美國(guó)特拉華大學(xué)的Kempton和Tomic，較早對(duì)比了美國(guó)電力系統(tǒng)和交通部門(mén)的發(fā)展規(guī)模，發(fā)現(xiàn)若全美交通部門(mén)中有四分之一數(shù)量的車(chē)輛為電動(dòng)汽車(chē)，則電動(dòng)汽車(chē)充/放電總功率超過(guò)美國(guó)全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘?。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)由于電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)之初就針對(duì)道路工況變化實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)功率調(diào)節(jié)能力，因此電動(dòng)汽車(chē)也完全滿足電力系統(tǒng)輔助服務(wù)中的響應(yīng)時(shí)間和爬坡率的要求。此外，電動(dòng)汽車(chē)V2G硬件投資成本相對(duì)有限。而限制其推廣的最重要的因素便是其運(yùn)行過(guò)程中較高的電池循環(huán)壽命折損。Kempton 進(jìn)而分析了純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)以及燃料電池汽車(chē)三種電動(dòng)汽車(chē)在基荷發(fā)電、尖峰負(fù)荷發(fā)電、備用容量以及系統(tǒng)調(diào)頻四類電力市場(chǎng)服務(wù)的可行性。研究結(jié)論認(rèn)為不同類型電動(dòng)汽車(chē)(純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē))適應(yīng)不同種類的輔助服務(wù)，且雖經(jīng)濟(jì)性各不相同，但不存在不可克服的技術(shù)障礙。
技術(shù)示范方面，丹麥政府于2009年啟動(dòng)了為期三年的Edison電動(dòng)汽車(chē)智能電網(wǎng)項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在探索電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行電力需求側(cè)響應(yīng)的應(yīng)用潛力。項(xiàng)目由電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)組、動(dòng)力電池仿真組、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)組、分布式能源并網(wǎng)技術(shù)集成組、快速充電設(shè)施組、通信系統(tǒng)組、系統(tǒng)功能檢測(cè)組7個(gè)工作組協(xié)作完成，以評(píng)估由可再生能源發(fā)電與電動(dòng)汽車(chē)構(gòu)成的V2G電力系統(tǒng)的技術(shù)可行性。該項(xiàng)目是全球迄今規(guī)模最大的電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能實(shí)證研究項(xiàng)目之一。
在產(chǎn)業(yè)化方面，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)和充電樁企業(yè)已經(jīng)走在前列。比亞迪e6等車(chē)型已實(shí)現(xiàn)3.3千瓦車(chē)外放電功能，率先具備分布式儲(chǔ)能電站及移動(dòng)充電車(chē)能力。特來(lái)電開(kāi)發(fā)的CMS主動(dòng)柔性智能充電系統(tǒng)在保留充電樁基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上，將控制、保護(hù)、顯示及計(jì)量集成到箱式變電站，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)負(fù)荷、待充電車(chē)輛數(shù)量、電池荷電狀態(tài)以及用戶充電時(shí)間需求，智能分配充電功率，以優(yōu)化的柔性電流輸出對(duì)電池進(jìn)行充電，為智能充電及車(chē)電儲(chǔ)能奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
車(chē)電儲(chǔ)能模式及主要挑戰(zhàn)
電動(dòng)汽車(chē)可以通過(guò)不同模式實(shí)現(xiàn)車(chē)電儲(chǔ)能，本文將車(chē)電儲(chǔ)能分為有序充電、V2G、電池更換及退役電池儲(chǔ)能四類，不同模式存在規(guī)模潛力、成本、基礎(chǔ)設(shè)施等方面的差異：
1、有序充電。雖然在有序充電下電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法向電網(wǎng)或負(fù)荷直接放電，但仍可通過(guò)改變充電時(shí)間(電力需求響應(yīng)) 的方式參與電網(wǎng)削峰填谷，實(shí)現(xiàn)“虛擬儲(chǔ)能”作用。電動(dòng)汽車(chē)有序充電的儲(chǔ)能功率取決于車(chē)輛的充放電功率，其儲(chǔ)能電量取決于車(chē)輛能效及出行強(qiáng)度。
2、車(chē)電互聯(lián)(V2G)。當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池容量普遍有限，電池續(xù)航能力以滿足道路出行為主，車(chē)輛參與V2G將加速電池老化，給用戶帶來(lái)極高成本。但隨著電池容量的增加和循環(huán)壽命的提升，電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力將逐漸超過(guò)日常交通出行需求，此時(shí)V2G 的價(jià)值將快速顯現(xiàn)。
3、電池更換。電池更換為電動(dòng)汽車(chē)電能的快速補(bǔ)充提供了可能。由于車(chē)輛與電池實(shí)現(xiàn)了分離，電池更換模式最大程度釋放了車(chē)載電池的儲(chǔ)能潛力，從車(chē)輛卸載的電池可以根據(jù)電力系統(tǒng)的調(diào)峰需求隨時(shí)進(jìn)行充放電，此時(shí)動(dòng)力電池儲(chǔ)能類似于固定電池儲(chǔ)能電站。對(duì)于電池更換而言，每?jī)纱坞姵馗鼡Q之間允許有較長(zhǎng)的等待時(shí)間， 使卸載電池可以兼顧電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求和電池壽命進(jìn)行充放電，在將電池儲(chǔ)能價(jià)值最大化的同時(shí)，盡可能地延長(zhǎng)電池使用壽命。
4、退役電池。隨著車(chē)載動(dòng)力電池壽命終結(jié)，退役電池有望通過(guò)梯次利用的方式間接參與電網(wǎng)儲(chǔ)能。通常而言，電池容量降低到原始容量的80% 以下后就無(wú)法滿足車(chē)用動(dòng)力電池的要求，隨著電動(dòng)汽車(chē)推廣規(guī)模不斷擴(kuò)大，退役電池的儲(chǔ)能潛力不容忽視。
基于上述四種車(chē)電儲(chǔ)能方式，若2030 年全國(guó)累計(jì)推廣1 億輛電動(dòng)汽車(chē)，則電動(dòng)汽車(chē)?yán)碚搩?chǔ)能能力可達(dá)5000GWh以上，遠(yuǎn)高于我國(guó)抽水蓄能資源潛力，完全有能力與大規(guī)模可再生能源形成供需協(xié)同，加速我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
雖然車(chē)電儲(chǔ)能相比傳統(tǒng)儲(chǔ)能資源具有規(guī)模潛力優(yōu)勢(shì)，但其商業(yè)化推廣也存在許多障礙，除動(dòng)力電池成本問(wèn)題外，其對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)運(yùn)行方式也有深刻影響。
以V2G為例，首先，就經(jīng)濟(jì)性而言，車(chē)電儲(chǔ)能的成本與動(dòng)力電池循環(huán)壽命高度相關(guān)。目前動(dòng)力電池容量保持率衰減至80%前的車(chē)用電池壽命大約只可滿足15萬(wàn)公里累計(jì)續(xù)航里程，而這只可基本滿足一般私人電動(dòng)乘用車(chē)用戶的出行需求。隨著動(dòng)力容量及循環(huán)壽命的提高，其累計(jì)續(xù)航能力將逐漸超過(guò)車(chē)輛用戶的出行需求，繼而產(chǎn)生V2G 電力系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性。因此，V2G在近期還存在一定的經(jīng)濟(jì)性制約，但電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步將有力推動(dòng)其成本下降。
其次，V2G也將改變現(xiàn)有電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)，不僅增加了一類新的分散式電源，還改變了電網(wǎng)公司與發(fā)電個(gè)體之間的關(guān)系，使電網(wǎng)公司直接與充電具有隨機(jī)性和利益復(fù)雜性的電動(dòng)汽車(chē)用戶發(fā)生關(guān)系。從市場(chǎng)交易的角度講，傳統(tǒng)市場(chǎng)中，電能由發(fā)電側(cè)直接單向傳遞給電網(wǎng)公司，再由電網(wǎng)公司傳遞到負(fù)荷側(cè)，因此資金流也是單向傳遞;而在含V2G的市場(chǎng)中，電能和資金在電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)之間雙向流動(dòng)。由于頻繁放電加速電池老化，電網(wǎng)公司需要通過(guò)制定反購(gòu)電價(jià)影響電動(dòng)汽車(chē)用戶的充放電行為。
再者，從運(yùn)營(yíng)模式角度看，只有聚集大量電動(dòng)汽車(chē)同時(shí)參與系統(tǒng)服務(wù)，V2G資源才可能提供與大型機(jī)組類似的可靠性服務(wù)，因此V2G有賴于電動(dòng)汽車(chē)的普及、智能電網(wǎng)的建立以及商業(yè)模式的成熟。
推廣車(chē)電儲(chǔ)能政策建議
制定反映系統(tǒng)價(jià)值的充放電價(jià)格
市場(chǎng)機(jī)制及充放電價(jià)格是影響車(chē)電儲(chǔ)能效果的決定性因素。電動(dòng)汽車(chē)具有巨大的充放電靈活調(diào)節(jié)潛力，其價(jià)值需要通過(guò)合理的市場(chǎng)和價(jià)格機(jī)制設(shè)計(jì)予以體現(xiàn)，從而促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)與電力系統(tǒng)的友好銜接。
加快充放電運(yùn)營(yíng)平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)
目前已建和在建充電設(shè)施的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)有序充電的支持水平參差不齊，即便是支持有序充電，該系統(tǒng)在與電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的銜接上也存在問(wèn)題。隨著電動(dòng)汽車(chē)的規(guī)?；瘧?yīng)用，電動(dòng)汽車(chē)最終將作為分布式移動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)施，從而對(duì)有序充放電提出更高要求。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)有序充放電取決于車(chē)輛、充電設(shè)施及電網(wǎng)企業(yè)，因此，有序充放電技術(shù)研究應(yīng)充分融合各利益相關(guān)方。對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)而言，應(yīng)將充電設(shè)施作為電力基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)待，將充電網(wǎng)絡(luò)作為配電網(wǎng)絡(luò)有機(jī)組成部分，綜合考慮充電設(shè)施和電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)，加快統(tǒng)一的充電服務(wù)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)與充放電標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)， 推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。
開(kāi)展新能源發(fā)電與電動(dòng)汽車(chē)協(xié)同項(xiàng)目示范
在技術(shù)示范的基礎(chǔ)上，在京津冀地區(qū)、張家口低碳奧運(yùn)專區(qū)、高比例可再生能源示范城市、能源互聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)、國(guó)家智慧城市試點(diǎn)地區(qū)、電動(dòng)汽車(chē)集中推廣應(yīng)用城市等重點(diǎn)城市和區(qū)域，組織實(shí)施車(chē)電儲(chǔ)能技術(shù)示范，為未來(lái)大規(guī)模推廣積累政策及運(yùn)行模式經(jīng)驗(yàn)。
加快退役電池儲(chǔ)能梯次利用及原材料循環(huán)利用
鋰、鈷等資源是當(dāng)前鋰電池技術(shù)依賴的核心材料，汽車(chē)電動(dòng)化及電力系統(tǒng)儲(chǔ)能將帶動(dòng)上述資源消耗呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，未來(lái)世界鋰、鈷資源的競(jìng)爭(zhēng)與瓜分將更加激烈。退役電池儲(chǔ)能及電池原材料循環(huán)利用可在提升電池全生命周期價(jià)值的同時(shí)，緩解上游原材料供應(yīng)不足的問(wèn)題。然而，目前退役電池儲(chǔ)能及材料回收仍面臨許多挑戰(zhàn)。首先，由于不同車(chē)型的動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)多種多樣，需要針對(duì)不同電池類型進(jìn)行細(xì)分，工藝流程和安全問(wèn)題也相當(dāng)復(fù)雜。其次，對(duì)退役電池健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和系統(tǒng)集成仍存技術(shù)障礙。如何有效控制拆解、測(cè)試、分組、成組、電池管理等各環(huán)節(jié)工藝及物料成本，提升相關(guān)技術(shù)水平及完善跨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是退役電池儲(chǔ)能及關(guān)鍵材料循環(huán)利用的前提條件。
