近年来，全球多个国家纷纷发布碳减排目标，一时间碳达峰、碳中和成为全球“热词”，而碳减排目标最激进的欧洲部分国家早已给燃油车下了销售禁令，电动汽车成为能源转型潮中的时代“宠儿”。作为欧洲最大经济体，德国一直是能源转型的先锋，其电动汽车产业的发展路线图和对电网的影响，堪为我们的借鉴与参考。
本版文图除署名外由 张 炅 提供（资料来源：伍德麦肯兹）
预计到2030年，德国将有800万辆电动汽车上路，而投资快速充电站和管理充电项目将是基础设施升级的关键。
交通运输业是仅次于发电和工业的全球第三大碳排放来源，碳排放量占比近20%。虽然车辆能源效率有了大幅提高，但交通运输业的温室气体排放量1970年以来已增加了逾一倍。以德国为例，2019年该国上路的卡车和轿车数量相比于30年前分别增加了71%和31%，更大、更重的汽车抵消了能源效率的提高。2019年，德国95%的新车仍然使用汽油或柴油。
作为欧洲最大的经济体，德国在碳排放方面可以发挥重要作用。根据《巴黎协定》将全球升温幅度控制在1.5摄氏度内并在本世界中叶实现碳中和的目标，德国承诺到2030年将二氧化碳排放量减少55%。虽然已有了不错的开端，但目前的碳减排量显然不够。到2030年，德国的交通运输业需要减少42%~44%的碳排放量。
发展电动汽车是实现碳减排目标的途径之一。电网运营商（配电和输电系统运营商）和监管机构正就如何增加发电装机容量进行广泛的讨论。成功的电网整合是电动汽车发展与部门耦合（能源供需耦合）的核心。但为了保障电量平衡又必须降低可能的重大风险，如电动汽车快速充电普及后，不受管理的集中充电可能使电网负荷过大。
要为未来的电动汽车提供充足的电力，需要公用事业部门、政策制定和监管部门、电动汽车厂商和充电公司多方协作。各方都在关注和预测脱碳趋势在微观层面的影响，因此，了解电动汽车数量增加对未来几年电网平均负荷和峰值负荷的影响至关重要。电网运营商需要升级电力基础设施，包括配电线路、住宅区变电站和变压器，以及开关设备等。充电管理项目和精确的用电规划可以平滑电力负荷，从而节省一大笔电网扩容改造费用。
德国提升电动车普及率
背靠强大的汽车文化和生态思维传统，预计德国电动汽车普及率会相对较高。德国的目标是，到2030年，将碳排放量减少55%。德国2020年的温室气体排放量比1990年减少了41%，超过了40%的设定目标值。但疫情导致该国2020年的温室气体排放量减少了1/3左右。因此，如果没有疫情，德国不太可能实现碳排放目标。
面对越来越大的减排压力，德国政府推动了替代交通方式发展和充电基础设施建设。根据“气候保护计划2030”（该计划是对德国《气候保护法》的补充），德国政府正通过直接补贴和税收激励政策向交通电气化领域投资几十亿欧元。
此外，德国针对疫情制定了经济刺激方案，其中包括多项促进电动汽车发展的措施，如对购买电动汽车和充电桩的消费者给予大范围的补贴、税收优惠和其他奖励等。此外，德国政府为每辆电动汽车提供了高达9000欧元（约合人民币6.7万元）的“创新补贴”，使环保奖励翻了一番，并降低了企业用车的税率。
现在，德国道路上有4820万辆乘用车和340万辆卡车。在基准情景下，到2030年，德国将有800万辆电动汽车在路上，包括乘用车、商用车、卡车和公交车。根据2019年10月通过的“气候保护计划2030”，到2030年，德国需要有700万~1000万辆电动汽车才能实现气候目标。截至2021年1月，德国电动汽车注册量为19.4万辆。研究表明，700万~1000万辆电动汽车将占德国机动车保有量的15%，约占届时新销量的40%~60%。此外，根据“气候保护计划2030”，德国到2030年将建成100万个公共充电站，到2050年将为公共充电设施、共享的私人充电设施及商业充电设施提供补贴。
电动汽车发展将使电网容量大增
2019年，德国用电总量为568太瓦时，过去十年，用电量平均每年下降0.4%（2010年用电总量为594太瓦时，2007年达到历史峰值596太瓦时）。由于脱碳努力，未来用电量可能增加。目前，德国在交通和供暖两大领域的能源转型仍然滞后。
有研究预测了德国纯电动汽车替代的几种方案。与到2030年要实现电动汽车保有量达到800万辆的基本情景相比，更具挑战性的情景是，到2030年要达到1600万辆电动汽车的保有量。预计消费者和汽车制造商都将转向电动汽车，这也反映了欧盟提前实施燃油车禁令的要求。
在800万辆电动汽车的基准情景下，到2030年，德国电动汽车充电需求将达到每年23太瓦时；在1600万辆电动汽车的加速情景下，充电需求将达到每年43太瓦时。
越来越多的电动汽车充电需求将来自电动轻型商用车和电动卡车，二者占比将从2020年的28%提高到2030年的42%。乘用车仍将是最大的细分市场，到2030年，其充电需求占比将从现在的67%下降到55%；电动公交车充电需求占比将从3%增至5%。
考虑到电动汽车用户的充电行为、充电时间、充电桩分布，约40%的充电将在住宅区进行、约14%的充电将在工作场所进行、约11%的充电将在高速公路服务区和公共充电站进行、约5%的充电将在商场等购物娱乐场所进行、约30%的充电将在货车和卡车车队进行。电动卡车普及后，充电需求将大幅增长，家用充电比例将下降。考虑到重型车辆的使用性质和集中同时快速的充电需求，相比于家用充电，车队和公共充电将加重电网负担，管理起来也更困难。
预计到2030年，55%~60%的电动汽车充电仍然依靠交流充电（约23%为交流慢速充电、约35%为交流快速充电）。交流慢速充电（4千瓦~15千瓦）占比与现在的33%相比将减少约10个百分点；交流快速充电（15千瓦~22千瓦）占比与现在的39%相比将减少约5个百分点。直流快速充电将快速增长，50千瓦直流快速充电占比将在22%~27%、150千瓦直流快速充电占比约为10%。快速充电的发展将给电动汽车充电负荷管理带来更大挑战，电网运营商需要进一步了解平均负荷和峰值负荷。
电力基础设施升级的关键
需要较多投资的基础设施主要是电动汽车普及率较高地区的家用变压器，此外，电路和开关设备也需要一定的投资。随着电动汽车交流充电从目前低于4千瓦的慢速充电发展为4千瓦~15千瓦，再为15千瓦~22千瓦的交流快速充电，住宅区变压器运行负荷会呈指数级增长。研究显示，一旦德国有300万辆电动汽车投用，就需要对变压器进行大幅升级改造，而这最早可能在2025年实现。
同时，交流和直流充电站（轿车的直流充电率为350千瓦，重型商用车的直流充电率高达600千瓦）可能影响电网的稳定性，多数情况下，都需要建专用变电站，或对变压器和电缆进行大修。还有一些项目甚至为卡车提供3兆瓦的直流充电，如国际充电标准制定协会通过的中等电压大功率商用汽车充电项目，充电电压为1500伏，仅用20分钟就能为卡车提供充足的动力。那么一座配备3台大功率商用汽车充电设备和7台350千瓦直流充电设备的10车位充电站，就需要配套建设一座容量超过10兆伏安的变电站，总建设成本高达几百万欧元。
有效管理
电动汽车充电时间
电力负荷曲线可以反映用户的充电习惯。如在德国，冬季的电力负荷在18时~20时急剧增加，通常在19时达到27吉瓦以上的峰值，此时多数电动汽车车主下班回家充电。
管理车辆充电时间中最重要的是减少峰值充电，这样可以使终端用户的充电时间和时长更灵活，可以通过分时电价“被动地”改变用户的充电行为，也可以通过公用事业部门或第三方集成商“主动地”远程控制管理。
监管机构和公用事业部门能否让更多车主参与充电管理计划，决定了该计划对电网峰值负荷和所需电力基础设施升级的影响。在充电完全不受管理的情况下，到2030年，德国峰值电力负荷需求将增加7吉瓦，比目前增加8%。
在管理充电设施和非高峰时段充电的激励措施（延迟充电和差异化电价等）到位的前提下，大部分家庭充电可以从20时转移到凌晨4时。这种方案可以缓解电动汽车家庭充电的电网负荷，同时商业充电、车队充电、高速公路等公共场所的充电将不受影响。通过充电管理，不同的区域电网峰值负荷都能不同程度地下降。
电网升级路线图
预计到2030年，电动汽车会占德国机动车保有量的15%，导致电力峰值负荷增加4%~6%。面对用电量大幅增长的挑战，需要有针对性地对电网进行升级，以确保电力供应的稳定。
在充电不受管理的情况下，仅在德国，到2030年，住宅区变压器升级的总成本就可能超过50亿欧元（约合362.57亿元人民币），而通过充电管理可大幅降低变压器升级改造成本。此外，在用电高峰时段利用V2G（车辆到电网）技术调动电动汽车的储能也可辅助平衡电网供需。2016年，丹麦运行的第一个商业V2G项目一直为哥本哈根提供电网频率调节服务。
未来，德国的政府监管部门、公用事业部门、汽车厂商和电动汽车充电公司之间需要密切合作，通过分时电价、V2G技术、规划和投资直流快充站等方式，减轻电动汽车充电对电网的影响，这对于德国实现电气化和碳减排目标至关重要。
