环境学院2023北京市可再生能源与电动汽车协同效应研究报告

北京市可再生能源与电动汽车协同效应研究 StudyontheSynergeticEffectBetweenRenewableElectricityandElectricVehiclesinBeijing 清华大学环境学院 2023.12.7 SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversityDecember7,2023 致谢 本研究由清华大学环境学院鲁玺教授课题组统筹撰写，由能源基金会提供资金支持。 ACKNOWLEDGEMENT ThisreportisaproductofProfessorXiLufromSchoolofEnvironment,TsinghuaUniversityandisfundedbyEnergyFoundationChina. 目录 1项目背景与目标1 1.1项目背景1 1.1.1项目开展的政策环境及相关背景1 1.1.2现状和发展趋势1 1.1.3现有工作的不足之处及待解决的问题2 1.2研究目标2 1.3研究技术路线2 2北京市各充换电模式发展现状调研3 2.1概述3 2.2不同充换电模式技术经济参数比较及发展状况3 2.3北京市电动汽车发展政策调研梳理5 2.3.1电动汽车保有量规划5 2.3.2充换电基础设施建设目标6 2.3.3有序充换电支持政策7 2.4北京市充换电设施基础信息数据库构建7 3北京市风光可再生能源资源分布及供应特征分析8 3.1概述8 3.2风力发电资源动态供应潜力与变化特征模拟10 3.2.1数据来源10 3.2.2风速数据计算与降尺度校正10 3.2.3风机发电功率计算10 3.2.4风电装机潜力与发电潜力计算12 3.2.5风电出力曲线模拟及特性分析13 3.3光伏发电资源动态供应潜力与变化特征模拟13 3.3.1光伏电站建设影响与限制因素13 3.3.2光伏阵列倾角与方位角14 3.3.3光伏发电量及装机量计算15 3.3.4光伏出力曲线模拟及特性分析17 3.4北京市屋顶光伏潜力评估19 3.5京津唐电网风力发电、太阳能发电装机量预测20 4北京市电动汽车充换电需求时空分布特征模拟21 4.1概述21 4.2北京市电动汽车发展状况预测21 4.3电动汽车用能需求空间分布模拟22 4.4电动汽车用能需求时间规律模拟23 4.4.1充电模式下电动汽车用能需求时间规律模拟23 4.4.2换电模式下电动汽车用能需求时间规律模拟24 5北京市电动汽车有序充换电与可再生能源协同消纳多维动态效益评估24 5.1概述24 5.2考虑电动汽车有序充换电的电力系统优化模型25 5.3情景设置26 5.4北京市换电站优化选址及容量配置方案27 5.5电动汽车优化调度场景下电动汽车充电负荷分布28 5.6电动汽车优化调度场景下电网效益29 5.7电动汽车优化调度场景下环境效益32 5.8不同电价机制下电动汽车需求响应潜力分析34 6研究结论36 7政策建议38 7.1可再生能源与电动汽车规划协同38 7.2可再生能源与电动汽车运行协同39 7.3可再生能源与电动汽车管理协同40 8项目成果41 参考文献42 1项目背景与目标 1.1项目背景 1.1.1项目开展的政策环境及相关背景 交通电气化是我国实现碳达峰目标与碳中和愿景的关键措施。在城市交通部门大规模以电能替代燃油使用，能够有效减低能源对外依存度并减少温室气体排放。近年来全球电动汽车产业迎来快速发展，据国际能源署发布的最新报告显示，截至2022年底全 球电动汽车总保有量已超过2600万辆，到2030年预计将至少达到2.4亿辆[1]。我国新 能源汽车产业也进入了持续高速发展阶段，自2015年起新能源汽车产销量与保有量连续八年居全球首位。2020年10月国务院办公厅颁布的《新能源汽车产业发展规划 （2021—2035年）》提出，到2025年我国新能源汽车销量将达到新车销售总量的20% 左右。 1.1.2现状和发展趋势 交通系统中电动汽车的大规模普及将为城市电力系统运行带来巨大变革。截至2022 年底，北京市新能源汽车保有量超过60万辆；北京市“十四五”规划提出大力推进交 通电气化，到2025年全市新能源汽车累计保有量力争达到200万辆。大量增长的电动汽车充电负荷不仅会提高北京市电力需求，也将对北京地区电网运行产生重大冲击，甚至影响交通电气化的碳减排效应。据相关研究预测，到2035年北京市电动汽车无序充电负荷将使全市峰值电力负荷提高3.8%-11.9%，在局部区域电动汽车集中充放电对配电网造成的影响将更为严重。而如果通过科学有序的充换电调度为电动汽车补给电力，不仅能够减小对电网的冲击，也能够形成可观的储能潜力，为北京市可再生能源的发展和利用提供空间与机遇。北京市“十四五”规划强调未来将切实转变城市能源发展方式，落实可再生能源优先的理念，构建高比例、大规模可再生能源电力系统。北京市未来的电力需求将主要依靠区内分布式光伏发电和风电以及外部可再生能源调入来满足。北京市发改委2020年发布的《关于进一步支持光伏发电系统推广应用的通知》要求新建区域、新建建筑优先应用光伏发电，通过财政补贴进一步加强对分布式光伏发电的支持力度。然而，太阳能、风能等可再生能源发电水平受天气系统与地理环境的影响，具有固有的随机性与波动性，易出现供给与需求不平衡、不协调现象，面临着利用率低与“弃风”、“弃光”严重等新挑战，使得可再生能源二氧化碳减排效益难以发挥。因此，如 何理解并定量刻画城市电力交通与风光可再生能源的协同利用机制，充分发挥电动汽车对可再生能源的消纳作用是北京市及我国其他城市绿色低碳转型以及实现碳达峰与碳中和目标的关键课题。 1.1.3现有工作的不足之处及待解决的问题 本项目中存在的主要障碍与问题在于研究涉及交通网络、电力网络与大气环境三个复杂系统的交互以及能量流、碳排放流、资金流之间的耦合。传统的针对单一系统的研究方法难以准确定量刻画可再生能源与城市电力交通之间的协同利用机制及环境影响。研究亟需的关键科学问题包括： （1）城市可再生能源资源时空分布特征分析； （2）城市电力交通能源消费动态需求定量刻画； （3）高比例可再生能源与电动汽车协同消纳多维动态影响评估。 通过解决以上科学问题，本项目将为北京市电动汽车充换电基础设施近期以及中长期规划布局提供技术支持，为北京市运用峰谷电价、实时电价、充电优惠等政策鼓励新能源汽车与电网高效互动提供理论依据，为北京市可再生能源产业与新能源汽车产业综合发展政策制定提供参考，从而支撑北京市坚强智慧城市电网建设、温室气体排放控制以及能源发展方式绿色低碳智慧转型。 1.2研究目标 （1）本研究项目将以北京市为例，从交通系统与能源系统角度探究城市碳达峰与碳中和路径，推动我国智慧低碳城市建设； （2）研究成果将能够有效支撑未来高比例风光可再生能源供电系统建设，提高可再生能源消纳利用率，促进我国能源绿色低碳转型进程； （3）研究结果将有效论证高比例风光可再生能源情景下电动汽车全生命周期碳减排效益以及经济收益，助力电动汽车产业良性发展； （4）研究将为北京市及其他城市推进电动汽车充换电站、充电桩等电动汽车基础设施规划布局及投融资政策制定提供参考，并为电动汽车有序充换电参与电力需求侧管理与电力市场服务相关政策设计提供依据。 1.3研究技术路线 本项目技术路线图如下图所示。 图1-1项目技术路线图 2北京市各充换电模式发展现状调研 2.1概述 本部分研究内容利用文献综述、实地调研、比较分析、统计分析、专家调查等手段，针对快速充电、慢速充电、换电模式三类电动汽车充换电模式开展调研。在技术层面，对各充换电模式的技术发展现状以及运行参数进行调研；在产业层面，对各充换电模式的商业模式、基础设施布局与规划、营运现状、支持政策开展调研。 2.2不同充换电模式技术经济参数比较及发展状况 目前电动汽车的主流充电补能方式主要可以分为充放电模式与换电模式[2,3]。在充放电模式中，电动汽车本身就是充放电的载体，用户可以通过家用充电设备、充电站、充电桩等实现电动汽车与电网的互动。电动汽车的充放电模式包括快速充电与常规充放电（慢速充电），前者一般采用直流充电机进行充电，充电时间在一小时以内，较适合部署于城市公共充电站、公共停车场、城际高速公路等地点以满足电动汽车用户的应急需求；后者一般采用交流充电机进行充电，充满电池大致需要6-8小时，有利于电池的保养维护且对配电网冲击较小，较适宜部署于住宅小区或办公区供长时间停泊的私家车充电使用。充放电模式的优点是发展较为成熟、成本较低，已经实现了一定规模的应用。但充放电模式也存在着较为明显的缺陷：快速充电模式的充电设施成本较高，且较大的 充电电流会影响电池性能，同时将对电网造成短期内的较大负荷，尤其是快速充电模式中用户的充电行为较为集中，这将对电网的稳定性造成影响[4]；对于慢速充电，电池容量及充电时间的瓶颈使得其难以满足电动汽车用户的应急需求或长距离行驶需求，从而限制了其推广应用。另外在充放电模式中，电动汽车用户的决策具有很强的分散性与随机性，将给电网运行带来不确定性[3]。 表2-1不同充换电模式比较 慢充模式 快充模式 换电模式 等待时间 6-8小时 0.5-1小时 20秒-5分钟 充电功率 3kW-10kW 30kW-100kW 20kW-60kW 电池寿命 寿命较长 寿命短 寿命较长 服务能力 3-6辆/桩 20-40辆/桩 120-332辆/站 电网影响可在负荷低谷时期充 电，对电网影响较小 功率较大，充电过程突发性强，对电网冲击大 能够对负荷起到削峰填谷作用，改善负荷特性 建设成本约2000-3000元/桩7-10万元/桩200-300万元/站 用户体验较差，等待时间较长， 适合家充与目的地充电 较好，等待时间长于加油，适合途中临时补电 极好，与燃油车类似 购车成本初次购买成本高初次购买成本高初次购车成本低 换电模式是指通过换电站更换电池为电动汽车提供行驶所需电能，并在换电站中对电池进行集中的充放电实现与电力系统的交互。与充放电模式相比，换电模式能够迅速补给电能，并且有利于电池的统一管理与保养维护；同时，集中式充放电也有效避免了电动汽车并网带来的负荷不确定性，能够充分发挥电动汽车电池的调峰功能，使其在电力负荷削峰填谷以及大规模可再生能源并网中发挥重要作用[5]，并降低电力系统与电动汽车的整体排放。从经济角度来看，目前电动汽车的电池在电车成本中占比较大，换电模式的推广将有效降低电动汽车车主的购车费用，用户将不用购买电池而只需支付租赁费用；就换电站本身而言，则可以通过收取电池租金获得一定利润。换电站的另外一个利润来源是峰谷电价差，即换电站可以在电价较高时尽量放电，电价较低时尽量充电，从而降低运行成本甚至实现盈利。如果未来能够实行实时电价政策，充换电站集中充放电的优势将进一步得到发挥。电池的标准化是换电模式运行的基础，也是目前换电模式发展面临的主要问题，相应的电池技术标准亟需建立。另外，换电模式中换电站等基础 设施的建设需要较高的投资成本，这也给电动汽车换电模式的发展带来了阻碍[3]。目前 普遍认为，换电模式优先适用场景包括具有高频次快速补电需求的出租车、网约车以及重型卡车等[6]。 从以上分析中可以看到，充放电模式与换电模式各有优缺点，表2-1总结了各种电动汽车补能技术的主要特点与优劣。而我国电动汽车补能方式的政策导向也在近年来发生了多次转变：2010年7月，政府多部委联合召开的“全国私人购买新能源汽车试点工作会议”提出，电动汽车的充电方式应以慢速充电与分散式充电为主，并不建议大规模建设集中式快速充电设备[7]。在2011年前，电动汽车充电模式主要以“慢充为主，快充为辅”为导向发展；2011年国家电网公司提出将电动汽车充换电站的基本商业模式确定为“换电为主、插电为辅、集中充电、统一配送”[8,9]，为换电模式的发展提供了有利契机；2013年，国家电网公司对电动汽车充换电技术政策进行调整，提出“主导快充、兼顾慢充、引导换电、经济实