電動(dòng)汽車是如何為電網(wǎng)供電的？

與我們常見的那些充電站不同，烏得勒支的許多充電站不僅能為電動(dòng)汽車充電，還可以將汽車電池中的電力輸送至當(dāng)?shù)毓秒娋W(wǎng)，供家庭和企業(yè)使用。 關(guān)于這種車輛到電網(wǎng)（V2G）技術(shù)的可行性和價(jià)值的爭論可以追溯到幾十年前，而且至今仍未解決。但大眾、日產(chǎn)和現(xiàn)代等大型汽車制造商已經(jīng)開始生產(chǎn)能夠使用這種雙向充電器的汽車，同時(shí)還采用了類似的車輛到家（V2H）技術(shù)，比如停電時(shí)，可以通過汽車為房子供電，福特新推出的F-150 Lightning推廣的就是這項(xiàng)技術(shù)。電動(dòng)汽車的迅速普及讓許多人開始認(rèn)真思考要如何充分利用這種周而復(fù)始的電池能量。 烏得勒支是阿姆斯特丹南部一座擁有35萬人口的自行車城市，現(xiàn)已成為雙向充電技術(shù)的試驗(yàn)場，全世界的汽車制造商、工程師、城市管理者和電力公司都對這種技術(shù)非常感興趣。

這項(xiàng)倡議提出的背景是市民們希望每天在不造成碳排放的情況下出行，并且越來越意識到可再生能源和能源安全的價(jià)值。 “我們想要改變?！睘醯美罩Ц笔虚L之一兼發(fā)展、教育和公共衛(wèi)生議員伊爾科?埃倫伯格（Eelco Eerenberg）說。而部分改變涉及擴(kuò)展該市的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)?！拔覀冋谘芯肯乱粋€(gè)充電站的建設(shè)地點(diǎn)?！?因此，車輛到電網(wǎng)概念的首次提出以及它們在烏得勒支發(fā)展的如何，現(xiàn)在是考慮的好時(shí)機(jī)。

荷蘭烏得勒支正在擁抱V2G技術(shù)。圖中的電動(dòng)汽車正在使用雙向充電站，遠(yuǎn)處荷蘭歷史悠久的萊茵佐恩（Riin en Zon）風(fēng)車與這個(gè)場景相得益彰。

25年前，美國特拉華大學(xué)的能源和環(huán)境專家威利特?坎普頓（Willett Kempton）和美國綠山學(xué)院能源經(jīng)濟(jì)學(xué)家史蒂夫?萊坦德（Steve Letendre）描述了他們眼中的“電驅(qū)動(dòng)車輛和供電系統(tǒng)之間的初步互動(dòng)”。這對搭檔與加州大學(xué)伯克利分校的蒂莫西?利普曼（Timothy Lipman）和AC Propulsion公司的亞歷克?布魯克斯（Alec Brooks）一起，為車輛到電網(wǎng)電力技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。 他們最初的想法是，停放在車庫里的車具備一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的雙向電網(wǎng)連接，既可以接收來自車輛的電力，也可以為車輛供電?？财疹D和萊坦德于1997年在《交通研究》（Transportation Research）期刊上發(fā)表的論文介紹了在出現(xiàn)公用事業(yè)緊急情況或停電時(shí)，人們?nèi)绾卫眉抑械碾妱?dòng)汽車電池電力為電網(wǎng)饋電。有了街頭充電器，饋電甚至不需要房子了。

雙向充電使用了面包籃大小的逆變器，逆變器位于專用充電箱或車上。為車輛充電時(shí)，逆變器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，向電網(wǎng)供電時(shí)，逆變器則將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。這對電網(wǎng)有益，但尚不明確對駕駛員有什么好處。 這是一個(gè)令人煩惱的問題。在適當(dāng)時(shí)候向電網(wǎng)回送一點(diǎn)電，車主可以通過這種方式賺點(diǎn)錢，或者節(jié)省電費(fèi)，亦或間接補(bǔ)貼其汽車運(yùn)行費(fèi)用。但從坎普頓和萊坦德提出這一概念起，潛在用戶就擔(dān)心電池?fù)p耗會帶來損失。也就是說，過度循環(huán)使用電池會不會過早地降低汽車的核心性能？這些問題遲遲未解決，人們不清楚車輛到電網(wǎng)技術(shù)是否會流行起來。 市場觀察家們已經(jīng)看到了車輛到電網(wǎng)技術(shù)一系列“即將到來”的時(shí)刻。

2011年，美國特拉華大學(xué)和新澤西公用事業(yè)公司NRG Energy簽署了一項(xiàng)技術(shù)許可協(xié)議，首次將車輛到電網(wǎng)技術(shù)商業(yè)化。他們的研究合作關(guān)系持續(xù)了4年。 近年來，這些試點(diǎn)項(xiàng)目在歐洲和美國以及中國、日本和韓國都有所增加。英國目前正在郊區(qū)住宅中開展試驗(yàn)，利用室外壁掛式充電器計(jì)量，用于支付車主的公用事業(yè)費(fèi)用，以換取在高峰時(shí)間上傳電池電力。其他試驗(yàn)則包括商用車隊(duì)、哥本哈根的一組多用途運(yùn)載車、伊利諾伊州的兩輛電動(dòng)校車和紐約的5輛電動(dòng)校車。

盡管如此，這些試點(diǎn)項(xiàng)目仍然只是試點(diǎn)，沒有哪個(gè)項(xiàng)目演變成大規(guī)模系統(tǒng)。不過這種情況很快就會改變。人們對電池?fù)p耗的擔(dān)憂正在減少。去年，美國羅切斯特大學(xué)的赫塔?甘地（Heta Gandhi）和安德魯?懷特（Andrew White）對車輛到電網(wǎng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)學(xué)建模，然后發(fā)現(xiàn)電池退化成本極小。甘地和懷特還指出，隨著時(shí)間的推移，電池的資本費(fèi)用已經(jīng)顯著下降，從2010年的每千瓦時(shí)1000美元以上降至2020年的140美元左右。

隨著車輛到電網(wǎng)技術(shù)變得可行，烏得勒支成為了首批完全接納該技術(shù)的地方之一。

這座受大風(fēng)侵襲的荷蘭城市之所以會發(fā)生變化，其背后的關(guān)鍵力量并非全球市場趨勢或工程解決方案的成熟，而是在正確的時(shí)間、正確的地點(diǎn)激勵(lì)了正確的人。 羅賓?伯格（Robin Berg）便是其中之一，2016年，他在烏得勒支的家中創(chuàng)辦了一家名為We Drive Solar的公司。該公司已發(fā)展成為一家共享車隊(duì)運(yùn)營商，擁有225輛不同品牌和型號的電動(dòng)汽車，其中大多數(shù)是雷諾Zoe，不過也有特斯拉Model 3、現(xiàn)代Kona和現(xiàn)代艾尼氪5。在此過程中，伯格吸引了合作伙伴，并制定了將雙向充電引入We Drive Solar車隊(duì)的路線。其公司現(xiàn)有27輛具有雙向充電功能的汽車，預(yù)計(jì)未來幾個(gè)月還會增加150輛。

組成這樣一支車隊(duì)并不容易。We Drive Solar有兩輛雙向充電的雷諾Zoe是原型車，是伯格通過與法國汽車制造商合作獲得的。能夠雙向充電的量產(chǎn)Zoe尚未問世。2021年4月，現(xiàn)代向We Drive Solar交付了25輛具有雙向充電功能的長軸距艾尼氪5。這些是帶有改良軟件的量產(chǎn)車，現(xiàn)代正在少量生產(chǎn)，并計(jì)劃在即將推出的車型中引入該技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)。 We Drive Solar的1500名用戶不必?fù)?dān)心電池?fù)p耗問題，如果這是個(gè)問題，那也是公司的問題，而且伯格并不認(rèn)為這是個(gè)問題。“我們永遠(yuǎn)不會到達(dá)電池的極限?！彼f，這意味著電池的充電狀態(tài)永遠(yuǎn)不會高或低到足以大幅縮短其壽命。 We Drive Solar并不提供自由隨行、在應(yīng)用程序上取車并在任何地點(diǎn)皆可還車的服務(wù)。汽車有專用停車位。用戶可以預(yù)訂車輛，開車去自己想去的任何地方，并在同一地點(diǎn)取車和還車。我拜訪伯格的那天，他公司旗下有兩輛車甚至一輛開往瑞士阿爾卑斯山，一輛開往挪威。伯格希望他的客戶能夠?qū)⒛齿v車（以及相關(guān)的停車位）視作自己的座駕，定期使用同一輛車以增強(qiáng)專屬感。 伯格會嘗試涉足電動(dòng)汽車共享和電力聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，尤其是雙向充電，其實(shí)并不意外。

21世紀(jì)初，他創(chuàng)辦了一家名為LomboXnet的本地服務(wù)提供商，在教堂尖塔和鎮(zhèn)上最高的酒店之一的屋頂安裝視距Wi-Fi天線。當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)流量開始擠占他的無線電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，他又鋪設(shè)了光纜。 2007年，伯格與當(dāng)?shù)匾凰鶎W(xué)校簽訂了屋頂太陽能安裝合同，并提出了建立微電網(wǎng)的想法。他現(xiàn)在管理著全市1萬所學(xué)校的屋頂太陽能板。他的走廊壁櫥里排列著一組用來監(jiān)測太陽能流動(dòng)的電表，部分太陽能流向其公司的電動(dòng)汽車電池，公司名“We Drive Solar”也就是這樣來的。 伯格并不是通過坎普頓或任何其他早期車輛到電網(wǎng)技術(shù)的擁護(hù)者了解到雙向充電的，而是因?yàn)槭昵暗母u核電站災(zāi)難才聽說這項(xiàng)技術(shù)。

當(dāng)時(shí)他擁有一輛日產(chǎn)聆風(fēng)，他讀到了一篇介紹這些汽車如何在福島地區(qū)提供應(yīng)急電源的文章。 “不錯(cuò)，這是一項(xiàng)有趣的技術(shù)?！辈窕貞浀馈！坝袥]有辦法擴(kuò)大規(guī)模呢？”日產(chǎn)同意向他提供一個(gè)雙向充電器，伯格便給烏得勒支城市規(guī)劃人員打電話，表示想為其安裝一條電纜。這便產(chǎn)生了更多的聯(lián)系，包括與當(dāng)?shù)氐蛪弘娋W(wǎng)管理公司Stedin的聯(lián)系。安裝充電器后，Stedin的工程師想知道為什么儀表有時(shí)會倒轉(zhuǎn)。后來，烏得勒支地區(qū)開發(fā)局的艾林?登?丹（Irene ten Dam）聽說了他的試驗(yàn)，并對此產(chǎn)生了興趣，成為了雙向充電的倡導(dǎo)者。 伯格和志同道合的城市工作人員吸引了更多的合作伙伴，包括Stedin、軟件開發(fā)商和一家充電站制造商。2019年，荷蘭國王威廉?亞歷山大（Willem Alexander）主持了烏得勒支一個(gè)雙向充電站的安裝。伯格說：“城市和電網(wǎng)運(yùn)營商都在尋找擴(kuò)大規(guī)模的方法，這是一件好事?！彼f，他們想做一個(gè)項(xiàng)目然后出一份報(bào)告，而是真的想進(jìn)下一步工作。

下一步工作正在加速開展。

烏得勒支現(xiàn)在有800個(gè)雙向充電器，由荷蘭工程公司NieuweWeme設(shè)計(jì)和制造。這座城市很快就會有更多需求。 “人們正在購買越來越多的電動(dòng)汽車?！笔凶h員埃倫伯格說。市政府官員注意到近年來此類購買激增，卻也聽到烏得勒支人抱怨要經(jīng)過漫長的申請程序才能安裝充電器并使用。埃倫伯格是一位受過培訓(xùn)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家，他仍在努力解決這些問題。他意識到，如果要滿足荷蘭政府提出的所有新車在8年內(nèi)實(shí)現(xiàn)零排放的要求，烏得勒支市必須加快速度。 雖然紐約和加利福尼亞要求更多零排放車輛上路的類似命令失敗了，但現(xiàn)在車輛電氣化的壓力反而更大了。烏得勒支市的官員們希望走在對更加綠色的交通解決方案的需求之前。這座城市剛剛修建了一個(gè)可停放1.25萬輛自行車的中央地下停車場，并耗時(shí)數(shù)年挖了一條貫穿市中心的高速公路，后又以潔凈空氣和健康城市生活的名義用一條運(yùn)河替代了它。

該市的能源轉(zhuǎn)型經(jīng)理馬蒂斯?柯克（Matthijs Kok）是促成這些變化的驅(qū)動(dòng)者。他帶我騎自行車參觀了烏得勒支的新綠色基礎(chǔ)設(shè)施，并介紹了最近新增加的一些設(shè)施，比如一塊固定電池，該電池將從安裝在當(dāng)?shù)毓沧≌_發(fā)項(xiàng)目中的許多太陽能電池板收集并存儲太陽能。 柯克停下自行車，指著一座磚房說：“這就是為什么我們都這么做?！贝u房里存放著一臺400千瓦的變壓器。從發(fā)電廠到高壓電線，到中壓變電站，到低壓變壓器，再到人們的廚房，這些變壓器是這條鏈條中的最后一環(huán)。 通常一座城市有成千上萬臺變壓器。但如果一個(gè)地區(qū)需要充電的電動(dòng)汽車太多，這種變壓器就很容易過載，而雙向充電有望緩解此類問題。 柯克與市政府其他部門合作匯編數(shù)據(jù)并繪制地圖，將城市劃分為多個(gè)社區(qū)。

每一個(gè)社區(qū)都標(biāo)注著人口、家庭類型、車輛和其他數(shù)據(jù)。他們與簽約的數(shù)據(jù)科學(xué)小組合作，利用普通市民提供的信息，開發(fā)了一種策略驅(qū)動(dòng)算法，用于幫助選擇新充電站的最佳位置。該市還在與車輛充電站運(yùn)營商的10年合同中加入了部署雙向充電器的激勵(lì)措施。所以，這些充電器發(fā)展很快。 專家預(yù)計(jì)，雙向充電對可以預(yù)測移動(dòng)軌跡的車隊(duì)車輛尤其有效。在這種情況下，運(yùn)營商可以輕松地計(jì)劃汽車電池的充電和放電時(shí)間。 通過在需求高峰期將其車隊(duì)的電池電力輸送到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，并在非高峰時(shí)段對汽車電池進(jìn)行充電，We Drive Solar公司獲得了好評。如果做得好，司機(jī)在提車時(shí)就不會影響行程。這些日常能源交易也有助于降低用戶的使用價(jià)格。 像We Drive Solar這樣鼓舞人心的汽車共享計(jì)劃吸引了烏得勒支的官員，因?yàn)橥＼囯y是大多數(shù)發(fā)展中的城市常見的慢性病。烏得勒支市中心附近的一個(gè)大型建筑工地很快將新增1萬套公寓。新增住房受人歡迎，但新增1萬輛汽車卻不是。規(guī)劃者希望這一比例更接近每10個(gè)家庭擁有一輛車，新社區(qū)的專用公共停車場數(shù)量將反映這一目標(biāo)。

歐洲交通電氣化的預(yù)測規(guī)模之大令人生畏。

根據(jù)歐洲電力/德勤的一份報(bào)告，到2030年，歐洲可能有5000萬至7000萬輛電動(dòng)汽車，需要數(shù)百萬個(gè)雙向或其他方式的新充電點(diǎn)。需要對配電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)千億歐元的投資來支持這些新站點(diǎn)。 就在埃倫伯格和我坐在市政廳里談?wù)摓醯美罩У某潆娬疽?guī)劃算法的前一天早上，烏克蘭爆發(fā)了戰(zhàn)爭。現(xiàn)在的能源價(jià)格已使許多家庭瀕臨崩潰。在美國的一些地方，汽油價(jià)格已經(jīng)達(dá)到每加侖6美元（可能更高）。6月中旬，德國一輛普通大眾高爾夫的司機(jī)需支付約100歐元（超過100美元）才能加滿油箱。4月1日，英國的公用事業(yè)賬單平均上漲了50%以上。 戰(zhàn)爭顛覆了歐洲大陸和世界各地的能源政策，將人們的注意力集中在了能源獨(dú)立和安全上，并加強(qiáng)了已在實(shí)施的政策，如在市中心建立零排放區(qū)和用電動(dòng)汽車取代傳統(tǒng)汽車。

人們通常不清楚如何才能以最佳方式實(shí)現(xiàn)所需的變化，但建?？梢蕴峁椭?。 正在烏得勒支大學(xué)Wilfried van Sark光伏集成實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位的尼科?布林克爾（Nico Brinkel）專注于地方建模。根據(jù)他的計(jì)算，在烏得勒支及其周邊地區(qū)，低壓電網(wǎng)的強(qiáng)化成本大約為每臺變壓器1.7萬歐元，更換電纜的每公里成本約為10萬歐元。

“如果我們要轉(zhuǎn)向純電力系統(tǒng)，如果要增加大量風(fēng)能、太陽能、熱泵、電動(dòng)汽車……，”他的聲音逐漸減弱，“我們的電網(wǎng)不是為此而設(shè)計(jì)的?！?不過，電力基礎(chǔ)設(shè)施必須跟上。布林克爾的一項(xiàng)研究表明，如果很大一部分電動(dòng)汽車充電站是雙向的，那么這些成本就能夠以更易于管理的方式進(jìn)行分?jǐn)??！袄硐肭闆r下，我認(rèn)為所有新充電器最好都是雙向的。”他說，“額外成本沒有那么高?！?伯格不需要令人信服。他一直在思考雙向充電能為整個(gè)荷蘭帶來什么。他估計(jì)，在一個(gè)擁有800萬輛汽車的國家，150萬輛具有雙向充電能力的電動(dòng)汽車將平衡國家電網(wǎng)。“那么，你就可以用可再生能源做任何事情?！彼f。 鑒于他所在的國家最初只有幾百輛能夠雙向充電的汽車，150萬是一個(gè)大數(shù)目。但終有一天，荷蘭人可能真的會實(shí)現(xiàn)。

作者：Michael Dumiak

審核編輯：黃飛