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江亿院士:让私家车免费充电,不是没有可能

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江亿在“科学四十人”现场分享

一辆私家车每天大部分时间都停在车位上,它的电池却可能成为未来电力系统最重要的储能资源之一。

中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任江亿指出,随着风电、光伏成为主体电源,中国未来可能需要150亿千瓦时以上的储能容量,而现有储能规模远远无法填补这一缺口。相比之下,上亿辆电动汽车携带的电池,潜在储能容量可达100亿千瓦时。电动汽车有电池却缺少接口,建筑有闲置的配电容量却缺少储能,两者恰好可以互补。

江亿提出,通过“一位一桩、即停即接”和双向有序充放电,让私家车在停放期间参与建筑和电网互动,可以为电网提供巨大的灵活性调节资源。真正的障碍已不是技术和经济性,而是体制与政策。

在8月5日《知识分子》《赛先生》主办的“科学四十人”活动上,江亿发表了题为《车—房—网:破解储能瓶颈的突破口》的主旨演讲。以下内容根据演讲整理。

撰文|江亿

未来新能源体系的建设绝不是某一个行业的事情,需要全社会共同努力,才能真正推动能源革命。

这轮能源革命的一个重要特点,是风电、光伏将成为主导能源。到2035年,中国风电、光伏装机容量将达到36亿千瓦;到2060年,可能达到80亿千瓦,提供全国70%以上的电量。

这将改变传统电力系统“源随荷动”的运行方式。风电、光伏具有明显的波动性。以一天内的发电曲线为例,风光发电量虽然可以与负荷所需电量大致相等,但白天的发电功率可能达到同期负荷功率的5倍,到了晚上却可能没有出力。因此,必须依靠巨大的储能容量和接口容量,平衡风光发电与用电负荷,实现新能源消纳。

究竟需要多大规模的储能?各方都在测算。我们的仿真结果显示,未来可能需要150亿千瓦时甚至更多的储能容量,以及80亿千瓦的接口功率。

这些储能资源需要同时布置在电源侧和负荷侧。远方集中式风电、光伏需要在电源侧就地配置储能,储能容量约为30亿-50亿千瓦时,接口功率约为40亿千瓦;与此同时,大量分布式电源还需要在近邻负荷侧配置储能,所需储能容量约为100亿千瓦时,接口功率约为40亿-50亿千瓦。

也就是说,电源侧与负荷侧要共同承担储能任务,“两边一块抬轿子”。电源侧可以依靠大型抽水蓄能、压缩空气储能、重力储能和集中式电化学储能等方式;负荷侧所需的储能规模更大,约占总需求的三分之二。负荷侧的储能资源从哪里来?一个非常重要的来源就是电池。

截至2025年底,包括抽水蓄能和集中式电化学储能等在内,中国已经建设了约10亿千瓦时储能容量。尽管投入巨大,这一规模也只相当于未来终端储能需求的约10%;如果按照欧阳老师给出的测算,占比甚至不到5%。未来二三十年,如果还要完全依靠传统方式补足其余绝大部分储能需求,难度极大。

相比之下,电动汽车拥有规模庞大的车载电池。假设纯电动汽车保有量能达到1.5亿辆,其中私家车1亿辆,按照50千瓦时的可用电池容量计算,总容量就是50亿千瓦时。其余5000万辆商用车的电池容量更大,以平均每辆车100千瓦时计算,总容量也是50亿千瓦时。两者合计可以形成100亿千瓦时的储能容量,是目前集中式储能容量的10倍,这是现成摆着的资源。

更长远来看,到2050年,私家车保有量可能达到3亿辆,仅私家车车载电池的潜在储能容量就可以达到150亿千瓦时。如此巨大的储能资源已经存在于车辆之中,关键是如何利用起来。

为什么我要特别强调私家车?因为私家车与商用车在提供储能服务方面性质完全不一样。未来两类车辆的总用电量可能相差不大,但充电需求和使用模式完全不同。如果年均行驶约1万公里,私家车平均约10天充一次即可;商用车通常每天都要充电。因此,当前建设的快充、超充和集中式充电站,主要应当服务于商用车。

私家车更适合在住宅或办公场所的停车位上充电,并采用慢充、双向、有序的模式。比如我今天把车停在楼下的快充站开会,30分钟后充满了就得赶紧挪车,不然占着充电位还要收费。但如果停车场每个车位都有双向慢充桩,就可以踏踏实实开会。但出租车不一样,最好5分钟就能充完,马上接着运营。所以,私家车和商用车需要完全不同的充电模式。


图源:Unsplash

当前,快充和超充争议很大,像“1分钟补充100公里续航”“10分钟补充1000公里续航”,这种补能方式只适合商用车。否则,大量车辆同时超充,电网就崩溃了对吧?换电模式也需要额外配置大量电池,即使备用电池和车按照0.5∶1的比例配置,也不得了。

电动汽车拥有宝贵的电池,却缺少接口、土地和功率。反过来看建筑,现在我们提倡发展“光储直柔”,研究柔性用电。建筑最缺少的就是储能资源,却拥有很大的配电容量和接口资源。但现有居住建筑的年等效满负荷运行时间不到800小时,商业建筑通常为1000至2000小时。也就是说,建筑拥有较大的配电容量,但这些容量在多数时间处于闲置状态。

电动汽车有储能、缺接口,建筑有接口、缺储能,两者正好互补。

因此,应当在住宅和工作地点推动“一位一桩”。这些设施以慢充为主,并提倡“即停即接”,只要车辆处于停放状态,就尽可能与系统保持连接,全年累计连接时间最好超过6000小时。如果私家车平均每天行驶时间不到3小时,全年累计行驶时间约为1000小时。即使车辆连接系统6000小时/年,仍有1000多个小时可以处于既未行驶、也未连接的状态。

同时,车辆何时充电、何时放电以及具体功率,不能仅由车载电池管理系统决定,而应由充电桩结合车辆荷电状态和建筑、电网的调控指令统一管理。车载电池每天充放一次以上,才能充分挖掘资源。双向充电的可用率可达到单向的5-7倍。

怎么支撑这个模式?我认为就是“免费充放”。如果一辆车全年连接系统超过6000小时,利用车载电池为系统提供储能服务,就可以免收车主的充电费用。车辆放电不另外获得收入,充电也不需要付费,避免复杂的计量、计价,防止车网互动产生的效益最终被大量中间环节消耗。通过简化,建立起免费开车的新充电文化。

每日充放电是否会影响电池寿命?研究结果表明,单向有序充电可以降低电池的平均荷电状态和充电深度,有利于延长寿命;双向充放电虽然会增加循环衰减,但通过合理控制充放电策略,电池寿命可以不差于无序充电。

这笔账是否划算?假设一辆电池容量为70千瓦时(度)的汽车,在电力低谷时充50度。按每年行驶1万公里计算,平均每天行驶所需电量约为7度。除去车辆行驶消耗和约7度的充放电损耗,还可以向外放出约36度电量。这一过程等效储能效率约为72%,与抽水蓄能的效率大致相当,但新增投资低得多。

此外,车辆使用十几年以后,就算电池好,整车也将报废,不会影响车主的经济利益。

未来大比例风电、光伏接入以后,白天可能出现大量富余电力。如果只有单向充电桩,车载电池吸收富余新能源的能力仍然有限。如果大规模建设双向充电桩,资源就十分可观。按照上面估算,未来车载电池可以提供100亿千瓦时以上的储能容量,是当前储能资源的10倍。这可能成为破解中国建设以风电、光伏为主体的新型电力系统过程中储能瓶颈的重要突破口。

车辆接入以后,究竟什么时候充放电,以及对应功率,都由充电桩的管理系统决定。但末端充电桩怎么知道电网此时需要什么?五年前,我们已经与华北电网开展过相关尝试,目前国家电网多个分部也在研究这件事。即根据电网每时每刻的运行状况,可以计算出一度电所对应的碳排放责任因子(Cr),并且每15分钟更新一次。

Cr的定义是电力用户每使用一度电所需承担的碳排放责任,在不同季节、不同时间和地区都有差异:高的时候,一度电对应的碳排放接近1.5千克;低的时候,只有约0.1千克。Cr信号可以传递至末端充电桩,引导电动汽车在低值时充电、高值时放电,以配合风光发电的变化。

从这个思路出发,清华大学建筑节能研究中心在好几年前就装了几个充电桩,并利用屋顶光伏为教职工的车辆充电。以前都是充完就驶离,我们则鼓励他们继续保持连接,并对连接时间较长的车主给予奖励。后面车主慢慢地就形成了新的习惯,车载电池就成为了我们的储能资源。基于分时电价优化车辆充放电后,典型日运行电费降低14%;基于Cr信号调控后,典型日累计碳排放降低19.3%。

青岛特来电总部大楼的地下一层建有立体自动泊车停车位。车辆到达后,机器人会将车辆运送到停车位,并自动接入充电设施;直到车主下班离开,车辆才断开连接。车辆何时充电、何时放电以及如何调度,都由充电系统决定。

这相当于为整栋建筑配置了一座规模巨大的储能电池,再结合建筑自身的光伏系统,使大楼成为了零碳建筑。

太原武宿国际机场三期改扩建工程也是一个例子。机场规划建设全域光伏,年发电量约1.27亿千瓦时,超过机场约1.16亿千瓦时的年用电量,但发电和用电在时间上并不匹配,因此需要大量储能。机场空侧用于运输货物、牵引飞机等作业的车辆均为电动车,而且严格按照调度指令运行。将车辆行程、停放位置与充电桩的布局和管理统一起来,就能把车载电池转化为储能资源,推动机场实现零碳运行。

发展电动汽车是中国能源革命的重大工程之一,不仅可以减少对燃油的依赖、消除尾气排放,更重要的是,可以为新型电力系统提供规模巨大的储能资源。

但是,私家车不应将超充作为主要充电方式。大规模发展私家车超充,不仅可能对电网形成巨大冲击、影响电池寿命,超充站还需要占用宝贵的城市土地。超充更适合为高频运营的商用车辆服务。

相比之下,在既有停车位安装慢充和双向充电设施,无需额外占用土地,就能为车主提供更便利的充电服务,降低用车成本。更重要的是,可以为新型电力系统提供宝贵的分布式储能资源,使车载电池得到更加充分、有效的利用。

从技术和经济角度看,这是一件可行的事情。但应该通过怎样的政策、机制和手段推动它真正落地?这个问题我已经呼吁了很多年,目前依然困惑于如何推进。

真正困难的不是技术,也不是经济性,而是机制、体制和政策。

我的汇报就到这里,谢谢大家。



江亿,中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任。2020年,他提出“光储直柔”技术路径,通过整合光伏发电(光),储能系统(储),直流配电(直)和柔性用电(柔)四大技术模块,实现建筑能源的高效低碳利用。光储直柔2021年写入国务院碳达峰行动方案,2024年获“十四五”国家重点研发计划系列项目支持。

“科学四十人”是智识学研社(北京市海淀区智识前沿科技促进中心,“知识分子”“赛先生”出品方)发起的科技交流公益项目,围绕前沿科学与技术、产业、社会、政策的交叉议题开展思想碰撞,此前讨论议题包括AI与能源、AI for Science、AI医生、青年科学家成长瓶颈、科研范式、科研评价、国际大学排名等。

编辑|戴晶晶

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