什么是反转电荷

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未来，电动汽车可以通过充当“车轮上的储能”来促进可再生能源的增长——像现在一样从电网为电池充电，以及反转电流以将电力送回电网并为电网提供支持服务。
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图片：Ehsan Faridi 和 Ehsan Keshavarzi/Inmywork Studio

 

电动汽车 (EV) 车主习惯于在家中和工作时插入充电站，并用电网的电力为电池充电。但很快有一天，当这些司机插上电源时，他们的汽车也将有能力反转电流并将电子送回电网。麻省理工学院团队在《能源进展》杂志上发表的一篇新论文称，随着电动汽车数量的增加，车队的电池可以作为一种具有成本效益的大规模能源，对能源转型可能产生巨大影响。

“从规模上看，车辆到电网（V2G）可以促进可再生能源的增长，取代对固定能源存储的需求，并减少对固定[永远在线]发电机的依赖，例如天然气，传统上用于平衡风能和电力的能源。太阳间歇性，”主要作者、麻省理工学院化学工程系博士生 Jim Owens 说。其他作者包括麻省理工学院能源计划 (MITEI) 的首席研究科学家 Emre Gençer 和进行该研究时 MITEI 的研究专家 Ian Miller。

该小组的工作是对未来电力系统的首次全面、基于系统的分析，利用了一种新颖的计算模型组合，整合了碳排放目标、可变可再生能源（VRE）发电以及建筑能源存储、生产和发电成本等因素。和传输基础设施。

“我们不仅探讨了电动汽车如何向电网提供服务（将这些车辆视为车轮上的储能系统），还探讨了 V2G 应用对整个能源系统的价值，以及电动汽车是否可以降低电力系统脱碳的成本”，Gençer 说道。“结果令人惊讶；我个人不相信我们这里会有这么大的潜力。”

取代新的基础设施

随着美国和其他国家追求限制碳排放的严格目标，交通电气化已经开始发展，电动汽车的采用率迅速加快。（一些预测显示电动汽车将在未来 30 年取代内燃机汽车。）不过，随着无排放驾驶的兴起，对能源的需求将会增加。“挑战在于确保有足够的电力为车辆充电，并且这些电力来自可再生能源，”Gençer 说。

但太阳能和风能是间歇性的。如果没有对这些能源的充分支持，例如使用锂离子电池的固定能源存储设施，或大型天然气或氢燃料发电厂，实现清洁能源目标将难以实现。更令人烦恼的是，建设必要的新能源基础设施的成本高达数千亿美元。

研究人员报告说，这正是 V2G 可以发挥关键且受欢迎的作用的地方。例如，在对新英格兰理论上满足严格碳排放限制的电力系统进行案例研究时，该团队发现，该地区 800 万辆轻型（乘用）电动汽车中只有 13.9% 的参与取代了 14.7 吉瓦的固定储能。这总共节省了 7 亿美元——建设新存储容量的预期成本。

他们的论文还描述了电动汽车电池在需求高峰时期（例如炎热的夏季）可以发挥的作用。“V2G 技术能够将电力重新注入系统以应对这些情况，因此我们不需要安装或投资额外的天然气涡轮机，”Owens 说。“电动汽车和 V2G 影响我们电力系统未来的方式是我们研究中最令人兴奋和新颖的方面之一。”

造型力量

为了调查 V2G 对假设的新英格兰电力系统的影响，研究人员将其电动汽车出行和 V2G 服务模型与 MITEI 的两个现有建模工具集成：可持续能源系统分析建模环境 (SESAME)，以预测车辆数量和电力需求增长和 GenX，它对发电、存储和传输系统的投资和运营成本进行建模。他们纳入了不同的电动汽车参与率、传统和可再生能源供应商的发电成本、充电基础设施升级、车辆出行需求、电力需求变化以及电动汽车电池成本等输入数据。

他们的分析发现，在各级碳排放限制（包括根本没有排放上限的限制）下，V2G 在电力系统中的应用（在取代储能和固定发电方面）都有好处。然而，他们的模型表明，当碳约束最严格时（每千瓦时负载排放 10 克二氧化碳），V2G 可为电力系统带来最大价值。V2G 系统节省的总成本在 1.83 亿美元到 13.26 亿美元之间，反映出电动汽车参与率在 5% 到 80% 之间。

“我们的研究已经开始揭示 V2G 对未来电力系统的内在价值，这表明我们可以节省大量资金，否则这些资金将用于存储和固定发电，”欧文斯说。

利用V2G

对于寻求经济脱碳方法的科学家来说，数以百万计的电动汽车停在车库或办公空间，并在其 90% 的使用寿命中插入电网的愿景证明是一种不可抗拒的挑衅。“所有这些存储就在那里，巨大的可用容量只会增长，除非我们充分利用它，否则它就会被浪费，”Gençer 说。

这并不是一个遥远的前景。初创公司目前正在测试允许电动汽车与电网运营商或其他实体之间进行双向通信的软件。借助正确的算法，电动汽车将根据为每个车主的需求量身定制的配置文件从电网充电并向电网分配能量，而不会耗尽电池并危及通勤。

“我们并不认为所有车辆都能同时将能量发送回电网，例如下午 6 点，此时大多数通勤者都会在傍晚回家，”Gençer 说道。他认为，电动汽车驾驶员的作息时间千差万别，可以提供足够的电池电量来应对平均 24 小时内的用电量高峰。未来还有其他潜在的电池能源来源，例如电动校车，它们仅在白天短暂使用，然后闲置。

麻省理工学院团队承认 V2G 消费者接受的挑战。虽然电动汽车车主喜欢清洁、绿色的驾驶方式，但他们可能不太热衷于将汽车电池的使用权交给与电力系统运营商合作的公用事业公司或聚合商。政策和激励措施会有所帮助。

“由于您向电网提供服务，就像太阳能电池板用户所做的那样，因此您可以因参与而获得报酬，并且当电价非常高时，您可以支付额外费用，”Gençer 说。

“人们可能不愿意全天候参与，但如果我们遇到像去年德克萨斯州那样的停电情况，或者炎热天气输电线路拥堵，也许我们可以打开这些车辆 24 到 48 小时，将能量送回到系统中，”欧文斯补充道。“如果停电了，人们向你挥舞着一大笔钱，你可能会愿意说话。”

“基本上，我认为这又回到了我们所有人在一起的情况，对吧？” 根塞尔说。“当您通过向电网提供这项服务来为社会做出贡献时，您将获得降低系统成本的全部好处，并且还有助于更快、更大程度地实现系统脱碳。”

可行的见解

欧文斯正在撰写有关 V2G 研究的论文，目前正在研究重型电动汽车对电力系统脱碳的潜在影响。“亚马逊和联邦快递等公司的最后一英里送货卡车可能是电动汽车的最早采用者，”欧文说。“它们之所以有吸引力，是因为它们白天有定期安排的路线，晚上又返回电站，这使得它们对于提供电力和电力系统平衡服务非常有用。”

欧文斯致力于“提供系统规划者、运营商以及在某种程度上投资者可以采取行动的见解”，他说。他的工作可能会在确定应该建设什么样的充电基础设施以及在哪里建设方面发挥作用。

“我们的分析非常及时，因为电动汽车市场尚未开发出来，”Gençer 说道。“这意味着我们可以与汽车制造商和系统运营商分享我们的见解，这可能会影响他们投资 V2G 技术，避免建设公用事业规模存储的成本，并实现向更清洁的未来过渡。这是我们力所能及的巨大胜利。”