麻省理工学院 | 反转电荷

电动汽车(EVs)的车主习惯于在家里或工作时插入充电站，并从电网中充电。但不久的将来，当这些司机插上电源时，他们的汽车也将有能力逆转电流，将电子送回电网。麻省理工学院的一个团队在《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攀升，电动汽车的电池可能成为一种具有成本效益的大规模能源来源，对能源转型具有潜在的巨大影响。

“在规模上，汽车到电网(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，并减少对稳固的(永远在线的)发电机的依赖，如天然气，传统上用于平衡风能和太阳能的间歇性，”该研究的第一作者、麻省理工学院化学工程系的博士生吉姆·欧文斯说。其他作者包括Emre Gençer，麻省理工学院能源计划(MITEI)的首席研究科学家，Ian Miller，该研究期间MITEI的研究专家。

该小组的工作是第一次对未来电力系统进行全面的、基于系统的分析，采用了一种全新的计算模型组合，综合了碳排放目标、可变可再生能源(VRE)发电、建设能源储存、生产和传输基础设施的成本等因素。

Gençer说:“我们不仅探索了电动汽车如何向电网提供服务——把这些汽车想象成车轮上的能量储存——还探索了V2G应用在整个能源系统中的价值，以及电动汽车是否可以降低电力系统脱碳的成本。”“结果令人惊讶;我个人不相信我们在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，交通工具的电气化已经起飞，电动汽车的采用速度迅速加快。(一些预测显示，电动汽车将在未来30年取代内燃机汽车。)然而，随着无排放驾驶的兴起，对能源的需求将会增加。Gençer说:“挑战在于既要确保有足够的电力给汽车充电，又要确保这些电力来自可再生能源。”

但是太阳能和风能是间歇性的。如果这些能源没有足够的后备，例如使用锂离子电池的固定储能设施，或大规模的天然气或氢燃料发电厂，实现清洁能源目标将被证明是难以实现的。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可以发挥关键和受欢迎作用的地方。例如，在他们对一个符合严格碳限制的理论新英格兰电力系统的案例研究中，该团队发现该地区800万辆轻型(客运)电动汽车中只有13.9%的参与取代了14.7千兆瓦的固定储能。这总共节省了7亿美元，即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的作用，比如炎热的夏天。Owens说:“V2G技术能够将电力注入到系统中，以覆盖这些问题，所以我们不需要安装或投资额外的天然气涡轮机。”“电动汽车和V2G汽车影响未来电力系统的方式是我们研究中最令人兴奋和新颖的方面之一。”

建模能力

为了调查V2G对他们假设的新英格兰电力系统的影响，研究人员将他们的电动汽车出行和V2G服务模型与MITEI现有的两个建模工具整合在一起:可持续能源系统分析建模环境(SESAME)，用于预测车队和电力需求增长，以及GenX，用于建模发电、存储和传输系统的投资和运营成本。这些数据包括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、电力需求变化和电动汽车电池成本等投入。

他们的分析发现，在所有碳排放限制级别的电力系统(就取代储能和固定发电而言)中，V2G的应用都有好处，包括完全没有排放上限的电力系统。然而，他们的模型表明，当碳限制最严格时(每千瓦时负荷排放10克二氧化碳)，V2G为电力系统提供了最大的价值。由于电动汽车的参与率在5%到80%之间，V2G系统节省的总金额在1.83亿美元到13.26亿美元之间。

欧文斯说:“我们的研究已经开始揭示V2G对未来电力系统的内在价值，证明我们可以节省大量的钱，而不是花在存储和企业发电上。”

利用V2G

对于正在寻找经济脱碳方法的科学家来说，数百万辆电动汽车停放在车库或办公场所，并在其使用寿命的90%时间内接入电网的愿景是不可抗拒的刺激。Gençer说:“所有这些存储都摆在那里，一个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。”

这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双向通信的软件。通过正确的算法，电动汽车可以根据每个车主的需求，从电网充电并向电网分配能源，而不会耗尽电池，从而危及通勤。

Gençer说:“我们不认为所有的车辆都能在同一时间将能源发送回电网，例如在下午6点，大多数通勤者在傍晚早些时候回家。”他认为，电动汽车司机的各种各样的日程安排将提供足够的电池电量，以应对平均24小时内的用电高峰。路上还有其他潜在的电池能源，比如只在白天使用短时间的电动校车，然后就闲置了。

麻省理工学院的研究团队承认V2G消费者购买的挑战。虽然电动汽车车主喜欢清洁、绿色的驾驶，但他们可能不会那么热心地将汽车电池的使用权交给公用事业公司或与电力系统运营商合作的聚合商。政策和激励措施会有所帮助。

Gençer说:“因为你是在为电网提供服务，就像太阳能电池板用户一样，你的参与可以获得报酬，当电价非常高的时候，你会获得额外的报酬。”

欧文斯补充说:“人们可能不愿意‘24小时参与’，但如果我们遇到像去年德克萨斯州那样的停电情况，或输电线路在大热天阻塞，也许我们可以开启这些车辆24到48小时，将能量发送回系统。”“如果停电了，人们向你挥舞着一堆钱，你可能会愿意交谈。”

“基本上，我认为这要回到我们所有人都在一起，对吧?”Gençer说。“当你通过为电网提供这种服务为社会做出贡献时，你将从降低系统成本中获得充分的好处，也将在更大程度上更快地帮助系统脱碳。”

可行的见解

欧文斯正在撰写关于V2G研究的论文，他现在正在研究重型电动汽车在电力系统脱碳方面的潜在影响。“亚马逊(Amazon)和联邦快递(FedEx)等公司的最后一英里送货卡车可能是电动汽车最早的采用者，”欧文说。“它们很有吸引力，因为它们在白天有固定的路线，在晚上返回车站，这使它们在电力系统中提供电力和平衡服务非常有用。”

Owens致力于“为系统规划者、运营商以及一定程度上的投资者提供可操作的见解，”他说。他的工作可能会在决定应该在哪里建造什么样的充电基础设施方面发挥作用。

Gençer表示:“我们的分析非常及时，因为电动汽车市场还没有发展起来。”“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——潜在地影响他们投资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。这是一场巨大的胜利，在我们的掌控之中。”

这项研究的研究是由经济产业省的未来能源系统中心资助的。