分布式能源与电动汽车充电一体化可行性研究

冉志军，孔飞

(中国华电集团科学技术研究总院，北京 100077)

1 发展新能源汽车的必要性

随着汽车在人们日常生活中的普及，汽车污染物排放也成为人们普遍关注的问题，特别是在汽车运行密度较大的大中城市。据北京市有关环保部门统计，尽管北京市范围内供应的汽柴油标号和汽车的环保标准越来越严格，但从总量上讲汽车尾气仍为该市的第二大污染源，仅次于粉尘和沙尘。汽车尾气污染比一般沙尘对人体健康的危害性更大，治理汽车尾气污染已成为民众和政府共同关注的民生问题，我国诸多其他城市也存在类似的问题。

“十二五”期间，全国大多数省(市、自治区)都把减少汽车尾气排放列为当地节能减排规划的重要内容，找到汽车尾气排放治理的科学之道，必将会赢得广大民众和各地政府的欢迎和支持。电动汽车产业的发展被寄予厚望，国家和不少省(市、自治区)都针对电动汽车的推广应用和产业发展出台了资金补贴等各种扶持政策。

目前电动汽车发展进程较缓，各地试点效果普遍低于预期，除车辆本体和电池的性能需要一个提升期外，电动汽车产业发展在其用能方式上遇到了重大技术经济瓶颈。目前，电动汽车单纯采用公用电网充电的方式越来越多地受到“污染转移，全过程不节能、不环保”的质疑(如图1所示)，现有的配网设施改造成本很高，无序充电时对电网电能质量影响较大。

图1 电动汽车的污染状况

发展电动汽车和其他新能源汽车的根本目的在于减少能源生产利用过程中的污染物排放，提高能效和技术经济指标。只有最大限度地实现上述三者的有机结合，才能成为新能源汽车(电动汽车、压缩天然气(CNG)汽车/液化天然气(LNG)汽车等)发展方向的优先选择。

2 分布式能源与电动汽车充电站一体化研究

人口密度相对较高、经济相对发达的大中城市是汽车交通的密集区，也恰恰是分布式能源发展的重点区域，节能减排是它们的共同目标，电动汽车和分布式能源行业具有发展的天然条件。在上述城市区域重点发展燃气分布式能源与电动汽车充电站一体化项目，将会有效促进能源站和充换电站在建设资金、土地和公用设施等资源上的集约利用，提高技术经济性。两者的结合可在能效、环保和经济性3个方面产生互补叠加效应。

在建筑密度相对较低的城郊、城镇和农村,结合太阳能、生物质能等建设包括电动汽车充电站的分布式能源站, 是实现我国城镇化进程中能源生产利用方式集约、绿色发展的重要途径。关于水电厂、风电场，通常距汽车交通密集区较远，可因地制宜加以利用，本文不再赘述。

图2、图3分别是不同供能路线的全过程能源消耗和CO2排放对比(基于常规燃煤发电厂和公用电网的电动汽车用能为1，热电联产/分布式能源站耗能和排放由冷(热)、电产品分担，分担比例按1∶2粗估)，图2中IGCCO为整体煤气化联合循环发电。通过对汽车用能的全景对比可以看出，除CO2排放外，煤炭和天然气在相同能耗下灰粉的排放比例为148∶1，二氧化硫排放比为700∶1，氮氧化合物排放比为29∶1，其他用能方式分别如图4所示。图4所示为不同供能方式汽车效率对比，通过对比可见，在用燃气分布式能源站给电动汽车充电时,能源转化和利用效率最高(包含冷热利用效率)，约为75%，其中电力的效率约为50%左右，比LNG/CNG一次能源使用效率还要高，排放也较低。采用电网充电时，能源利用效率较低,污染物排放较高。

图2 不同技术路线的全过程能源消耗对比

图3 不同技术路线的全过程CO2排放对比

图4 不同供能方式汽车效率对比

可见，采用燃气分布式能源与电动汽车充换电站一体化建设时，其环保、能效优势都将十分明显，甚至比CNG/LNG汽车更具综合优势。因此，推荐在具备燃气分布式能源站建设条件的大中城市区域，优先选择发展电动汽车，并使其充电站与分布式能源站实现一体化规划建设；在冷热负荷不足，不具备建设分布式能源站的城市区域，推荐发展技术较为成熟、成本相对较低的CNG/LNG汽车。

3 市场开发时序和分布式能源站建设规模

电动汽车市场启动阶段的主要用户首先是路径相对固定的公交汽车、市政车辆，其次是机场班车、单位班车等，旅游巴士、出租汽车也可作为考虑对象，其他行走路线随机性较大的客车和道路货运车辆可作为远期市场拓展对象。以北京市为例，若有20%汽车为电动汽车，粗略估计其日用电量将超过24 GW·h，可配套建设几十个航改机容量等级的(区域式)分布式能源站和几百个内燃气轮机容量等级的(楼宇式)分布式能源站，其节能减排效果不言而喻。

在此以常用于区域分布式能源站和楼宇式分布式能源站的2种主要机型为例，大致给出其可服务电动汽车的规模(见表1)。

表1 分布式能源站2个常用机型参数和单机服务电动车数量

4 规划建设设想

城市、城镇等区域建设规划是分布式能源与电动汽车充电站一体化建设的基本切入点，分析结果如图5所示。应力争使有关设想在各地建设规划或其中的能源、节能环保、交通等专项规划中有所体现，有必要以适当方式与有关规划制定部门进行充分的沟通衔接，从源头做起是开发分布式能源、汽车充电站这类基础设施项目市场的基础性工作。

图5 分布式能源与电动汽车产业链

冷、热、电负荷匹配度是决定燃气分布式能源站能效和经济指标的基本因素，储能系统包括作为移动储能系统的电动汽车，可适度优化负荷匹配度，以提升能源站的技术经济指标，拓展分布式能源的发展空间。最理想的负荷匹配度是冷(热)、电负荷特性趋于分布式能源主机最佳工况下的输出特性，如此将最利于充分利用机组输出的二次能源，也利于简化能源转化辅助系统或减小辅助设备的容量，从而减少投资和不同程度的设备功能闲置。

项目所在地的燃料、冷(热)、电产品价格和建设运营成本，城市、城镇等区域建设规划，冷(热)、电负荷匹配度3方面条件是构成项目建设可行性的基本前提。

电动汽车电池是电能传递的主要载体，其技术经济性关系到能效、环保、经济性、续航里程和充换电方便性等要素，是电动汽车产业发展的关键之一。目前，电池可以支持电动汽车续航里程达200 km左右，慢速充电5～8 h，快速充电15～30 min ，电费加电池折旧费用低于同等汽车燃油费用，已具备支撑电动汽车商业化启动的条件。

国际能源署(IEA)在2013年4月出版的《世界电动汽车展望2020》中预测：到2020年全世界电动汽车的年销售量和保有量分别为600万辆和2 000万辆，其中中国和美国分别约占1/4。世界范围内电动汽车电池技术经济性有快速提升的趋势，具有促进整个电动汽车产业跨越式发展的可能性。

“供能用能全过程的节能、环保、经济、便利”是电动汽车产业发展的根本性问题。电动汽车涉及行业、领域多，在政府鼓励扶持的同时，有关供能、用能部门和该产业其他参与方均应正视发展中的问题，积极推动技术进步和商业模式的创新，大力支持先进技术、先进运营模式的示范和应用。关于电动汽车的供能方式，本文提出了“优选分布式供能,充储结合，充换电结合”的观点。

充换电及储能系统的优化管理是提高电池利用效率、协调用电需求与供电输出一致性的重要内容，有待结合分布式能源与电动汽车充电站一体化示范项目进一步研究，随着电动汽车用量的不断增加，积累经验、摸索规律，以信息化促进管理最优化。

参考文献：

[1]胡泽春，宋永华，徐智威,等.电动汽车接入电网的影响与利用[J].中国电机工程学报,2012(4):1-10.