中德能源与能效合作伙伴 项目主任
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侯安德，2022年10月14日
根据2017年《德国交通研究报告》，到2030年，电动汽车在德国汽车总保有量的比例可能超过30%。电动汽车充电基础设施的扩建对车辆的电气化至关重要，而公交车和卡车等大型车辆需要更多的大功率充电（HPC）基础设施，这就需要大量的资本投资。这些投资如何以最低的成本满足用户需求，同时又对电网保持友好，并有助于消纳更多的可变性可再生能源，如风能和太阳能？
为了回答这些问题，德国Reiner Lemoine研究所（RLI）在中德能源转型研究项目框架下开展研究,通过建模和利益相关者访谈，提出了柏林未来HPC基础设施的最佳选择和布局。
本文总结了柏林HPC的研究结果，与该研究相呼应，中德能源转型研究项目将在另一篇文章中总结深圳HPC的研究成果。
RLI的分析表明，柏林的仓库充电更适合公交车等车辆类型，而私人乘用车和物流车更适于仓库充电和公共充电的混合模式。充电模式的优化不仅能大幅度降低投资成本，而且更有助于满足大部分车辆的充电需求。
柏林公交车运营商BVG的目标是到2030年实现整个车队的脱碳。BVG优先采用低功率的仓库充电，以平抑电力消耗峰值，从而降低峰值负荷和充电站的投资成本。低功率充电费用低，人力成本也低。HPC与公交终点站（位于公交线路末端的站点，而非公交车夜间停靠的仓库）最为相关，终点站的HPC对于确保柏林每周近10,000次公交车行程的全面运营能力至关重要。
柏林地区的各种商业车队运营商也在通过WELMO设施（以商业为导向的电动汽车）转换为电动汽车，这是一个由参议院协调资助的项目。本研究采访的物流车队倾向于仓库充电，因为最适合他们的使用需求。然而，一些物流车队的经营者则认为，车辆由独立的分包商运营，不便于在仓库充电，而是更适合于在公共场站充电。
私人乘用车适合在各种特定场景下使用HPC，这取决于住宅和工作场所不同的充电权限。私人乘用车HPC还取决于激励措施和一些外部因素，如整体公共充电价格和分时电价。
德国根据下列七个应用场景对充电模式进行归类。例如场景4代表城市充电枢纽或充电站HPC，通常功率为150千瓦；场景5为公路和高速公路沿线的充电站，功率在350千瓦左右；场景6是停车场或购物中心的公共充电站HPC（直流或交流）；场景7代表位于停车场或道路两侧的公共慢充场站。
图片来源: RLI 2022
不同的激励措施鼓励客户使用HPC或低功率充电，RLI为私人乘用车用户制定了两种充电方案：在“HPC+”方案下，分时电价和其他折扣电价鼓励用户转向HPC充电，而“私人充电+”方案则激励用户在家庭、工作场所或慢充设施充电。
同样地，RLI也为公交车制定了两种充电方案：第一种方案，公交车队主要在仓库过夜充电，只在绝对必要的情况下会在终点站充电，如路线较长；第二种方案，公交车队更多的在线路两端的终点站使用HPC，同时仍然在仓库过夜充电。
模型显示，使用HPC与慢充的每日充电负荷曲线相似，但柏林中午时段HPC充电负荷大幅增加了15%左右。
图片来源: RLI 2022
对于HPC的关注大幅度增加了对HPC充电的需求。RLI的模型表明，在“HPC+”方案中，重点道路和高速公路需要4000余个350千瓦的超快速充电设施；而在慢充场景下，则需要约1500个HPC充电设施。我们认为，这种情况下的投资成本会高到令人望而却步。然而，RLI的建模表明，如果将预约和调度纳入HPC设施，可以推迟大约10%的HPC充电事件，这将大幅度减少对HPC充电桩的需求。
图片来源: RLI 2022
增加灵活性可以大大降低HPC站点的峰值负荷，如果根据客户需求立即提供HPC充电，则峰值负荷将超过150兆瓦，而如果10%的充电行为被延迟或转移到慢充，则峰值负荷将低于70兆瓦。简而言之，调度或预约系统可以有效的将HPC的峰值负荷减少50%以上。
图片来源: RLI 2022
目前，柏林的可再生能源产量比较有限，但鉴于德国的可再生能源发展目标，到2030年，包括勃兰登堡在内的整个柏林地区可能的风能和太阳能发电量会大大增加。柏林地区的屋顶太阳能发电总潜力约8.9吉瓦。电动汽车充电在可再生能源消纳方面可以发挥重要作用，但这也取决于车辆的充电方式。HPC可能更加关键：一方面，HPC的充电负荷更加多变，会给电网带来更大的挑战；另一方面，使用HPC的车辆可以更好地响应激励措施，支持采用可再生能源充电。
2022年6月，德国议会修订了现有的《能源工业法》，增加了将电动汽车和热泵纳入电网的激励措施。该法律呼吁出台新的激励措施，以降低消费者将其电动车充电设施提供给电网运营商来储能和平衡电网的成本。目前还没有规定激励措施的具体内容，方案目前正在由电网监管机构BNetzA制定。
RLI对柏林地区风能和太阳能的分析表明，公交车的智能充电有助于提高采用清洁能源充电的比例。HPC的充电负荷主要集中在中午，柏林地区在冬季和夏季的午间都有过剩的风能和太阳能发电量。事实上，这些过剩的可再生能源发电量远远大于HPC的充电负荷需求量。
傍晚时分的充电需求需要该地区具备一定的储能能力，以实现完全采用可再生能源充电，特别是在风力输出较低的日子。
下图显示了2030年柏林地区冬季和夏季过剩的可再生能源输出量（减去当地负荷后的可再生能源输出量，不包括充电负荷）与两种场景下的HPC充电负荷的模拟值。在第一种场景下（绿色曲线），公交车主要（但不限于）在仓库夜间充电，而私人乘用车主要（但不限于）在家里或工作场所的私人充电桩充电。在第二种场景下（红色曲线），由于各种定价激励措施，私人乘用车更倾向于在公共HPC站点充电，而公交车将一些充电行为从仓库转移到其路线上的终点站充电。因此，在第二种场景下，私人乘用车和公交车的午间充电负荷较高，夜间负荷较低。
图片来源: RLI 2022
如图所示，在两种充电场景中，柏林地区的过剩可再生能源输出量都比峰值充电负荷高出一个数量级。然而，可再生能源输出量曲线表明，在冬季和夏季的若干天里，该地区的过剩可再生能源输出量在一个典型周中有五天会在傍晚降至零以下。
这种可再生能源输出的短缺可以通过一些方法来弥补：（1）独立的储能系统，通过集中运营来支持电网；（2）位于充电站的储能系统；（3）车辆到电网（V2G）技术。本研究没有明确建立V2G模型，但由上图可知，如果要最大限度地利用中午过剩的可再生能源进行充电，需要将充电负荷从傍晚转移到中午，这要求增加充电基础设施与电网连接的整体规模。但这与当前的实际情况相反，目前充电供应商通常采取储能措施，将中午的充电负荷高峰转移到非高峰时段。
本研究的三个重要结论：
虽然本研究侧重于建模，但部门耦合也需要更多的利益相关者参与以及开展跨部门协调，这将是下一篇文章的分析重点，研究深圳市电动汽车充电基础设施的规划部署，以及对柏林和其他城市的经验借鉴。
德国国际合作机构（GIZ）在德国联邦经济和气候保护部（BMWK）委托的中德能源转型研究项目框架下，与两家研究机构合作开展大功率充电研究分析。其中，中国汽车工程学会（SAE China）通过利益相关者访谈和场景建模，对深圳市可再生能源与HPC整合的发展路径开展调研；Reiner Lemoine研究所(RLI) 研究了柏林市大功率充电的发展现状和未来前景。