随着充电设施的发展，在今天的大城市里，新能源汽车随时随地都能充电，就像呼吸、喝水一样自然。那未来呢?随着低碳电力系统的发展，和新能源汽车逐渐普及，未来是否还能像今天这样自由的充电?
回答这个问题的关键在于，某时某地，电力的供应是否满足电力需求?
本文首先从新能源汽车充电的现状出发，推演未来的充电功率需求;再以新能源发电占比较高的德国为例，推演未来的电网供应能力;最后将二者结合比对，尝试得出结论。
1. 新能源汽车和充电桩现状
我们先从现实说起。
2020年，新能源汽车销量逆势上扬，新增销售136.7万辆，2020年底保有量约为492万辆，占全国机动车总保有量的1.3%。
图 1 国内新能源汽车销量(前瞻产业研究院)
图 2 国内新能源汽车销量预测(前瞻产业研究院)
与此同时，充电桩也如雨后春笋，蓬勃发展。
图 3 公共充电桩存量(中国充电联盟)
截至2021年5月，充电联盟内成员单位总计上报公共类充电桩88.4万台，其中直流充电桩36.8万台、交流充电桩51.6万台、交直流一体充电桩426台。从2020年6月到2021年5月，月均新增公共类充电桩约2.78万台。
除了88.4万台公桩之外，随车配建充电设施总量为98.6万台，总计187.0万台。按照全社会口径，目前桩车比约为1：2.6;如只考虑公共桩，桩车比为1：5.6。
2. 今天的充电桩用了多少电
图 4 公桩月度充电量(中国充电联盟)
如上图所示，全国每月公共充电桩电量已经超过了7亿千瓦时，约占同期全国总用电量的0.1%。
根据国家统计局数据，2018年，全国交通运输行业共消费汽油6068万吨，柴油11167万吨。假定未来这部分消费全部转为电力，且总量不再增加，则折算电量约0.6万亿度，约占现在全国用电量的7~8%。
综上，基于现实的交通运量计算，充电用电量还有约60倍的上涨空间。
3. 充电桩典型用电负荷曲线
以下以厦门市为例，观察更为微观的用电情况。
以下数据来自厦门市充电设施政府监管平台，接入该平台的充电桩总功率为886MW。同时，根据2021年上半年总充电量可以算出，厦门全市平均充电功率为29.8MW。
图 5 夏季典型日充电负荷曲线
由典型日负荷曲线可见，每天有两个充电高峰，其一发生在中午，主要由车主用车和充电习惯造成，最大功率约为87MW，其二发生在午夜，是由低谷电价所吸引的充电行为，最大充电功率约为110MW，分别是平均充电功率的2.9倍和3.7倍。以下计算中，尖峰充电功率和平均功率的比值取2.9倍。
作为旅游城市，厦门汽车电动化推动情况较好。在目前保有的170万辆机动车中，约有4.5万辆纯电动汽车，可以粗略认为还有38倍的增长空间，则厦门平均充电负荷功率将超过1100MW，最大负荷约3300MW。
厦门市2020年夏季最大负荷功率突破了历史记录，达到5729MW。可见，电动汽车充电对于城市配电网的影响非常大，未来的尖峰负荷增量接近60%。即便电力供给能力充足，也很难随时保障充电需求。而这还是按照人均车辆数维持现有水平，且未计入私桩的测算结果。
也就是说，目前现实存在的，2.9~3.7倍的充电尖峰负荷倍率，对于未来的城市配电网，应对难度很高。
4. 未来的电网会如何变化
接下来，再看看电力供应端的变化，以德国为例：
目前德国总发电装机约为180GW，其中风电和光伏合计约为110GW，占总装机的60%。其新能源占比大约相当于我国2035~2040年的规划水平。我们可以从德国电网的运行现状，预测15年后中国东部发达地区的电力平衡情况。
另外，西欧地区实现了统一的电力市场，并根据实时的电力供需平衡调整电价。我们可以根据电价的变化，了解此时的供求关系。
图 6 德国2021/6/12风光发电出力
从上图中，可以清楚的看到新能源的波动性。6月12日凌晨，德国风电+光伏的总出力仅为3GW，当日中午风光同时大发，总出力剧增至50GW。
图 7 德国2021/6/12 发电功率(黑+绿色块)VS.用电功率(红色细线)VS.电价(蓝色细线)
对应的，电力批发价格也出现了较大变化。2021-6-12日凌晨，正值新能源出力低谷时段，批发电价是79€/MWh;当日下午，风光同时大发，电力供过于求，批发电价骤降至-26€/MWh，相当于每度电的价格在一天中变化了0.8元。
于此同时，从上图中可以看到，在6.12凌晨时段，即使用电水平下降，火电出力较高，德国整体仍处于缺电的状态，需要从国外进口电。
图 8 2021-6 实时电价(蓝色细线)VS. 绿电出力(水、风、光、生物质)
如果放到更长的时间尺度来看，可以发现德国电价基本上是和风光出力反向而动的，风光同时大发，供过于求，电价就跌;风光同时出力不足，供不应求，电价就涨。今天，德国以及临近的波兰目前还有不少火电，未来如果火电比例进一步下降，电价的波动幅度——实质上反应的是电力供求的不平衡关系，显然还会继续变大。
5. 大规模充电将面对的难题
从以上两节的数据可以得出结论：作为电源的风、光，和作为用电负荷的充电桩，其发、用电都是波动的。二者遵从不同的变化规律，在自然状态下几乎完全无关。随着时间推移，风光和电动汽车都会越来越多，如果不做人为干预，充电需求高峰和风光发电低谷同时出现的概率会越来越高。
当电网调度部门遇到这种情况时，必然会选择保电网安全。在2021年初广东的电荒中，其实已经出现了部分充电站在特定时间停止服务的情况。随着电动汽车数量增加，和新能源发电占比的提高，这种现象在不久的未来必然变为常态。那么一种场景就会出现：在炎热无风的夏日傍晚，赶着出行的电动汽车扎堆在充电站排队。平常的快充被限制成慢充，人们心急如焚，汗如雨下，却无可奈何。
这个问题该如何解决呢?
答案是，在特定时间，也即电网电力供给能力不足的时候，增加(电力)供给，或者抑制/转移充电需求。
5.1. 增加供给
对具体的充电站而言，增加电力供给的方式有两种：通过储能或分布式发电机增加电力供给，或通过电动汽车增加供给。
前一种方法，现实中的案例是充+储。未来的快充站，需要给客户提供确定的充电服务能力，因此随着电力平衡状态的改变，必然会主动安装储能。而对出行自由有较高需求的客户也会更加倾向于选择实力强大，能够普遍安装储能的充电服务商——即使为此要付出更高的成本代价。
不过，2021年北京4.16储能事故，也给这种方式提出了严厉的警告：负荷侧的储能，如果不能妥善的解决安全问题，发展空间会非常受限。
后一种方法，也就是V2G，篇幅所限，今天暂不展开。
5.2. 抑制/转移需求
抑制和转移需求，也有两种方法：通过价格杠杆引导客户按照电网希望的时间安排充电;或通过充电电量或速度引导客户。
通俗的说，当电网供给不足时，充电电价多半会上涨，而允许的充电速度也可能会受限。换到用户视角，充电要么变慢，要么充不满，也可能兼而有之。
5.3. 对于时间有要求的车主
商用车，包括出租车的本质是出售司机和车的时间，换取租金。同时，其单位时间的用电量远远高于私家车，所以抑制和转移需求的方法很可能是不成立的。
而采用第一种方法——加装储能之后，充电相比换电的成本优势将大幅度减少。所以对于用车时间有刚性要求的电动车主而言，在未来将更可能选择换电。
实际上，换个角度看，换电站内的电池，某种程度上也可以发挥储能的作用。现在，换电车的硬件成本实际上并不比普通电动车高。从长远来看，如果我们能够推动实现换电电池包的标准化，让车主们平时慢充，急时快换，可能是个在充电时间、成本和电网安全之间的，一种不错的平衡方式。
6. 自我吐槽和结论
为了预测未来，这篇文章采用了我不喜欢的方式——数据模糊且可能有争议：比方说厦门的整体油耗之中，柴油显然更多，但柴油车一定会电动化吗?难道不会采用对电网更友好的氢?
客观的说，这个问题今天无法回答。不过，为了平衡，可以举一个反方向的数据在下面：
图 9 各国每千人拥有的汽车量
中国的汽车数量远远低于欧美日，随着经济发展，人民收入上升，中国会不会用掉比今天多得多的，和汽油等效的电?
答案同样是不知道。
所以，本文中定量的推演，随着各种边界条件的变化，在未来既可能过于激进，也可能偏于保守。但不管怎样，随着火电容量的减少，和电动汽车数量的增加，在电网安全边界不可动摇的前提下，随时随地满足充电需求的难度和代价一定会越来越高，未来可能会变成奢侈品。
与此同时，对于大多数普通电动汽车用户而言，部分牺牲出行自由，进行有序充电乃至V2G，来和电网实现妥协，将是高概率事件。
这，大概也是众多瞄准高端用户的整车厂，建设自己的充电网络的用意吧。
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