王善生，甘凌霄，郭晨悅，羅軒

（1.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州510640；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東廣州510640；3.華創(chuàng)證券有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng)550004；4.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206）

隨著世界石油資源的日益枯竭以及人們對(duì)自身居住環(huán)境的關(guān)注，純電動(dòng)汽車開(kāi)始受到全世界的青睞，各國(guó)政府和工業(yè)界均在加大政策支持力度[1]。目前，國(guó)外的電動(dòng)汽車也已開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。大量電動(dòng)汽車充電主要在夜間，這既能改善電力負(fù)荷曲線，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，又能實(shí)現(xiàn)環(huán)保的目的[2]。我國(guó)電動(dòng)汽車起步較發(fā)達(dá)國(guó)家晚，但是發(fā)展很快。各汽車生產(chǎn)商都積極投入到研發(fā)電動(dòng)汽車的行列[3]。國(guó)內(nèi)幾大汽車生產(chǎn)商積極響應(yīng)，有的甚至已經(jīng)推出了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)汽車。2009年初，科技部、財(cái)政部、發(fā)改委、工信部4部門(mén)組織啟動(dòng)了節(jié)能與新能源汽車示范推廣試點(diǎn)工作（簡(jiǎn)稱“十城千輛”工程），支持在北京、上海、重慶等13個(gè)城市的公交、出租、公務(wù)、環(huán)衛(wèi)和郵政等公共服務(wù)領(lǐng)域示范推廣電動(dòng)汽車。預(yù)計(jì)在未來(lái)3年內(nèi)，將形成50萬(wàn)輛純電動(dòng)、充電式混合動(dòng)力和普通型混合動(dòng)力等新能源汽車產(chǎn)能，新能源汽車銷量占乘用車銷售總量的5%左右[4]。該文從能源碳足跡的角度對(duì)電動(dòng)汽車及其配套充電站進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1 純電動(dòng)汽車的特點(diǎn)及其對(duì)電網(wǎng)的影響

1.1 電動(dòng)汽車的類別

電動(dòng)汽車主要有純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車3種。純電動(dòng)汽車是完全由二次電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池等）提供動(dòng)力的汽車，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和能源安全戰(zhàn)略的重要途徑，也是未來(lái)汽車工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)[5]?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車是指車上裝有2個(gè)以上動(dòng)力源，目前混合動(dòng)力汽車一般是指內(nèi)燃機(jī)車發(fā)電機(jī)，再加上蓄電池的汽車。燃料電池電動(dòng)汽車是以燃料電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車。具有完全無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，但目前燃料電池的許多關(guān)鍵技術(shù)還處于研發(fā)試驗(yàn)階段[6]。

1.2 V2G的定義

純電動(dòng)汽車是完全由可充電電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池）提供動(dòng)力源的汽車。電力系統(tǒng)現(xiàn)在用V2G（Vehicle-to-grid）描述了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的關(guān)系。當(dāng)電動(dòng)汽車不使用時(shí)，車載電池的電能銷售給電網(wǎng)的系統(tǒng)；如果車載電池需要充電，電能則由電網(wǎng)流向車輛。

1.3 純電動(dòng)汽車的特點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的燃油汽車，純電動(dòng)汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）無(wú)污染、噪聲小。純電動(dòng)汽車不產(chǎn)生尾氣污染，有益于空氣的潔凈。

2）能量轉(zhuǎn)換率高。據(jù)研究表明，其能源效率已超過(guò)汽油機(jī)汽車[7]。

3）可減少對(duì)石油的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面[8]。

4）平抑電網(wǎng)的峰谷差。純電動(dòng)汽車可在夜間利用電網(wǎng)的廉價(jià)“谷電”進(jìn)行充電，有利于電網(wǎng)的峰谷平衡，改善電網(wǎng)的負(fù)荷特性，減輕電網(wǎng)的調(diào)峰壓力[9]。這也是純電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)最為顯著的貢獻(xiàn)。

1.4 純電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響

純電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響大體上可以分為2類。

1） 純電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。少數(shù)電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響微乎其微，但是如果大規(guī)模的電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)，電網(wǎng)將迎來(lái)全新一輪的負(fù)荷沖擊。如果按規(guī)劃的50萬(wàn)輛，每臺(tái)汽車5 kW的充電功率進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)每天約有1/10的電動(dòng)汽車需要集中在晚上進(jìn)行充電，那么電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷需求達(dá)到了25萬(wàn)kW。這就一方面要求電網(wǎng)公司必須對(duì)配網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)與改造，提高供電能力；另一方面要求電網(wǎng)公司通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)，利用合理的電價(jià)機(jī)制對(duì)汽車用戶進(jìn)行科學(xué)的用電指導(dǎo)，提高電能的實(shí)際利用率。

所謂需求側(cè)響應(yīng)（DR-Demand Response），就是指用戶在正常的消費(fèi)方式下，根據(jù)市場(chǎng)電價(jià)變化，或通過(guò)所激勵(lì)報(bào)酬機(jī)制降低高峰時(shí)電價(jià)，或在系統(tǒng)可靠性受到威脅時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，改變其固有用電模式的行為，提高用電效率。而電動(dòng)汽車靈活充電的特點(diǎn)正好為電力需求側(cè)響應(yīng)的應(yīng)用提供了平臺(tái)。當(dāng)然不可避免地，電動(dòng)汽車中大量的非線性充電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一些諧波電流和諧波電壓，對(duì)電力系統(tǒng)造成諧波污染甚至損壞設(shè)備。

2）純電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)的影響。雖然純電動(dòng)汽車充電業(yè)務(wù)會(huì)給電網(wǎng)公司的收益帶來(lái)一定的積極作用且國(guó)家也正在對(duì)電動(dòng)汽車給予一定的政策支持，但是考慮到充電時(shí)間限制（至少每輛8分鐘），充電站必須預(yù)留足夠的停車位，所以占地面積較大。一個(gè)中小型充電站（10個(gè)充電樁左右）的投資為300萬(wàn)元左右。在一定的充電電流倍率下，充電功率與電池容量相關(guān)，結(jié)合家用車輛電池容量的分布，假設(shè)其在20~30 kW·h范圍內(nèi)呈均勻分布[9]。表1為充電站經(jīng)濟(jì)效益分析。

表1 中小型充電站經(jīng)濟(jì)效益分析Tab.1 Economic benefits analysis of small and medium-sized charging station

由表1可見(jiàn)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)固定投資的回收期較長(zhǎng)。即使有國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策扶持，行業(yè)發(fā)展加快，充電站最快也需要近15年的資本回收期。如果電網(wǎng)公司僅憑自己力量開(kāi)展充電站及相關(guān)業(yè)務(wù)，短期內(nèi)營(yíng)利是非常困難的，同時(shí)會(huì)造出一定的資金套牢。

2 電動(dòng)汽車“能源碳足跡”的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

碳足跡是指人類活動(dòng)過(guò)程中所排放的溫室氣體轉(zhuǎn)化的CO2等價(jià)物，來(lái)衡量人類對(duì)地球環(huán)境的影響[10]。國(guó)際通用的“碳足跡”計(jì)量方法是將6種溫室氣體的排放量都轉(zhuǎn)換為CO2[11]。而“能源碳足跡”則是根據(jù)我國(guó)能源折算系數(shù)，將能源的具體消耗量折算為統(tǒng)一的能量單位，再以該化石能源的能源碳足跡為標(biāo)準(zhǔn)，合算出研究區(qū)域內(nèi)能源消耗所產(chǎn)生的“碳足跡”。各種能源轉(zhuǎn)換參數(shù)如表2所示[12-13]。

表2 各種能源轉(zhuǎn)換參數(shù)Tab.2 Conversion parameters of various energies

式中,D為森林的面積，m2；C為每百公里消耗單位能源的量；E為能量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

在不計(jì)及發(fā)電廠碳排放的基礎(chǔ)上，節(jié)能型燃油汽車與純電動(dòng)汽車的碳足跡分析結(jié)果如表3所示。

表3 兩種汽車的碳排放分析Tab.3 Carbon emissions analysis of two autos

通過(guò)以上分析，純電動(dòng)汽車相對(duì)于汽油車，在碳排放方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。如果進(jìn)一步追蹤發(fā)電側(cè)的碳足跡，視全部電量來(lái)自于火電廠，在忽略輸電網(wǎng)損，按火電機(jī)組煤炭平均利用率η=50%等情況下，2種汽車的碳足跡如表4所示。

表4 計(jì)及發(fā)電側(cè)的兩種汽車碳排放分析Tab.4 Carbon emissions analysis of two autos considering the power generation side

由表4可知，即使計(jì)及發(fā)電側(cè)，電動(dòng)汽車的碳排放也比汽油車減少35%左右。眾所周知，發(fā)電廠生產(chǎn)階段需要消耗大部分的化石燃料?；剂先紵奶甲阚E最高可達(dá)1 000 g CO2eq/kW·h；如果低碳能源（碳足跡＜100 g CO2eq/kW·h）可以替代化石燃料，致使大部分的CO2排放來(lái)自發(fā)電廠非生產(chǎn)階段，那么電力產(chǎn)業(yè)的碳足跡將會(huì)大大減少[14]。

在2009年以后，隨著我國(guó)火力發(fā)電比例的不斷下降、清潔能源的比例進(jìn)一步提高、供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗的進(jìn)一步降低等，電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益將更加顯著。單位煤耗及火電比例的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)如圖1所示。

圖1 單位煤耗及火電比例的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)Fig.1 Long term forecasting of unit coal consumption and proportion of thermal power

如果進(jìn)一步將單位煤耗和火電所占比例等概念引入公式（1），公式變成（2），具體分析見(jiàn)表5。

表5 電動(dòng)汽車碳排放潛力分析Tab.5 Carbon emission potential analysisof electric vehicles

其中，η為火電機(jī)組煤炭利用率（取0.5）；β為火電所占能源比例，%；F為單位煤耗，g。

3 兩種汽車的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

如果我國(guó)5年之內(nèi)開(kāi)征碳稅，（碳稅carbon tax是指針對(duì)CO2排放所征收的稅。它以環(huán)境保護(hù)為目的，希望通過(guò)削減CO2排放來(lái)減緩全球變暖），并提出碳稅制度的實(shí)施框架[15],那么電動(dòng)汽車的低碳優(yōu)勢(shì)將可以最大程度的轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟(jì)效益，直接促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽車事業(yè)的發(fā)展。在不計(jì)及碳稅的情況下，電動(dòng)汽車與汽油車的經(jīng)濟(jì)性分析如表6所示。

表6 2種汽車的經(jīng)濟(jì)性分析Tab.6 Economic analysis of two autos

4 結(jié)論

電動(dòng)汽車是潛力巨大的新興用電市場(chǎng)。發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)電動(dòng)汽車的普及應(yīng)用，是國(guó)家能源戰(zhàn)略和低碳經(jīng)濟(jì)的大勢(shì)所趨。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及國(guó)民環(huán)保意識(shí)的提高，電動(dòng)汽車將越來(lái)越展現(xiàn)出其卓越的綜合效益，逐步取代傳統(tǒng)的燃油汽車。特別是到2020年以后，隨著國(guó)家政策的傾斜、蓄電池技術(shù)瓶頸的突破、電力需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制的完善、碳稅制度的建立，清潔能源比例的提高等，電動(dòng)汽車才能真正的迎來(lái)它的黃金時(shí)期。

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