互為因果的發展
——新能源汽車與新能源

／英國南安普頓大學 張超航 德國華人新能源協會 曹智威／

互為因果的發展
——新能源汽車與新能源

／英國南安普頓大學 張超航 德國華人新能源協會 曹智威／

一、時代需求

在討論新能源汽車對新能源發展的推動作用時，離不開契合新能源發展的現狀來討論，從中我們能一窺，為什么新能源汽車將會在新能源發展中扮演一個非常重要的角色。

現在不少人把能量轉換效率低當成新能源發展的瓶頸，其實現今在世界上的很多地區，新能源都是“過剩”的，而中國最為嚴重，以風電為例，根據《國家能源局關于2015年度全國可再生能源電力發展監測評價的通報》[1]的數據：

四、可再生能源發電限制出力情況

2015年棄風限電形勢嚴峻，全國棄風電量339億千瓦時，同比增加213億千瓦時，其中，甘肅棄風電量82億千瓦時、棄風率39%，新疆棄風電量70億千瓦時、棄風率32%，吉林棄風電量27億千瓦時、棄風率32%，內蒙古棄風電量91億千瓦時、棄風率18%。

道理非常簡單，電能并不是說發出來就可以了，還需要經過電網層層傳輸到用戶，最終完成電能的消納過程。電網最重要的一個原則就是時刻滿足發電量等于用電量，電網本身不儲存任何電能。而非常不巧的是，以太陽能、風能為代表的新能源有兩大技術特性：隨時間、季節的變化而時刻變動；能量分散或遠離負荷中心。

而現今的電網并沒有這么高的靈活性來大量傳輸變動又分散的可再生能源，可再生能源的這兩個特性都直接阻礙了新能源并入電網。這也是為什么我們國家風能、太陽能的裝機容量都位居世界第一，但發電量卻都不是世界第一的原因——我們現今的電網不夠靈活。

為了提高電網的靈活性，消納更多可再生能源，電網正在往這幾個方向轉變：

更大的電網：通過高壓長距離運輸，將偏遠地區豐富的可再生能源送往負荷中心，或實現多個負荷中心之間的電能消納平衡。

代表有以“較大規模、高度集中、長距離高壓傳輸”為發展方針的中國可再生能源+特高壓模式、歐洲的EuropeanSuperGrid。

更智能的電網：運用通訊和監測技術，通過對可再生能源電力、可調負載、儲能的合理控制，充分挖掘現有電網的容量，實現在大量可再生能源接入電網后的電網可靠運行。

代表有德國的智能（配）電網。如圖1所示。

圖1

更小的電網：小到一個社區、甚至一棟房屋的微電網系統，可以自產自銷電能，并脫離公共電網離網運行。代表有美國SDG&E在加州的智能微網，夏威夷的光伏+儲能脫網運行。

圖2

未來的電網結構將會是這三種形式的電網共存：

1）微電網像是細胞，可以自產自銷電能，并隨時接入大電網提供或消納電能。

2）智能電網像是大腦，實現整體上的“源—網—荷—儲”的動態平衡。

3）大電網像是骨架，實現大規模、遠距離的電力調度，保證在可再生能源大量接入的大環境下，可再生能源的充分利用和電網穩定。

但無論電網再怎么發展，電能在傳輸過程中，有一個原則是終究還是不變的：發電量等于用電量。

為了引入更多可再生能源，電力系統固然可以通過電力電子化實現更大的柔性，但要吸納更多可再生能源，勢必要引入更多的儲能設備。

而現今的儲能設備還太昂貴，一臺電動汽車或者光伏發電項目里，儲能（電池）的成本可以占到總成本的30%～50%。沒有廉價的儲能，就沒有柔性的電網。

但昂貴本身是一個相對的概念：

如果售價（Price）高于價值（Value）的話，我們會覺得這是一個昂貴的產品。

但如果價值（Value）高于售價（Price）的話，我們會覺得這是一個實惠的產品。

近20年來，電池的在能量密度不斷提升的情況下售價已經在不斷下滑。如果我們能進一步提高電池的價值的話，會怎么樣？

二、電池的價值

一方面我們覺得儲能和電池的價格還太昂貴了，但另一方面我們卻又見證了電池行業的產量井噴。拿2015年的鋰電池行業數據為例：

2015年全球鋰電池總體產量為100.75Gwh，同比增長39.45%，其中小型電池占比由2011年的97.04%下降到2015年的66.28%。得益于新能源汽車產業，動力電池比重已經上升到2015年的28.26%。

動力電池的增長也極大帶動了中國的鋰電池產能，中國鋰電池的產量在全球占比上升至了46.78%，成為全球第一，比亞迪成為全球最大的動力鋰電池生產企業。[2]

電池產量井噴的原因很明顯——新能源汽車促成了動力電池需求的井噴。

新能源汽車對電池的需求與傳統的電子設備遠不在一個量級上，一臺Model S就有超過7000多節松下18650電池，一臺筆記本電腦才8節左右。

2015年由于新能源汽車的突然爆發式增長，導致動力電池供不應求，在2015年下半年出現了大量整車廠排隊購買電池的情況。而供不應求吸引了大量動力電池企業進行投資，按照一年的投資建設周期，投資的新增產能在2016年下半年逐步釋放，預計到2016年底國內動力電池產能將超過60GWh。但大部分產能投產的高峰期在7～8月，全年新增有效產能在10GWh左右，因此合計來看，2016年有效產能將達到40GWh左右。[3]

按照現有的數據來看，2016年全年鋰電池還在繼續高歌猛進。根據國家統計局公布數據，2016年1～10月，全國鋰離子電池行業累計完成產量同比增長35.66%。其中10月份完成產量同比增長54.62%。

40GWh的電池電量相當于上海市這樣的特大城市三個多月所有耗電量加總，而這僅僅只是眾多電池中，鋰電池中的動力電池部分在今年的產能數據。

人們愿意生產和購買大量電池不是因為他們想買更多的電池，而因為電池被整合在了車里面，這是一臺車，車賦予了電池更高的價值（Value）。人們對電動汽車的需求引起了電池行業產量的井噴。

在2016年，僅僅在鋰動力電池上就有20GWh上下的出貨量，當然這顯然和上面的60GWh產能相差很大，電動汽車不只是小小推動了一下電池行業的發展，甚至讓電池行業出現了暫時的產能和整車配套不匹配，產能出現了結構性過剩。針對這種結構性過剩，國家也采取了一系列政策：

11月22日，工信部網站公布了《汽車動力電池行業規范條件（2017年）》征求意見稿，時間期限為一個月。其中最受矚目的在于新版規定：鋰離子動力電池單體企業年產能力不低于80億Wh，金屬氫化物鎳動力電池單體企業年產能力不低于1億Wh，超級電容器單體企業年產能力不低于1千萬Wh。系統企業年產能力不低于80000套或40億Wh。

新版對鋰電池單體企業年產能的要求擴大了40倍，對金屬氫化物鎳動力電池單體企業年產能的要求擴大了10倍，對超級電容器單體企業的產能要求擴大了一倍，企業系統生產能力由原來的一萬套擴大8倍。目前能達標的僅比亞迪一家，CATL（寧德時代）年底擴產后剛剛夠及格線。

除了工信部的“80億Wh”準入門檻，12月7日發改委和商務部也發文稱，擬重點放開對汽車電子和新能源汽車電池生產制造領域準入限制，鋰電池行業經過了2015年的大增長，2016年的結構性產能過剩，2017年可能將面臨一場洗牌。

但無論如何，因為電動汽車的迅猛發展，每年高速增長電池量都將以前所未有的規模涌入我們的周圍環境。與傳統的消費電子產品電池不同，電動汽車的電池是具有儲能性質的，而這些電動汽車在停放時將變成一臺潛在的儲能設備，將對新能源的發展和電網產生重要影響，這些電動汽車，也許就是消納大量可再生能源的關鍵所在。

三、從電動車談起

不少人在討論電動汽車的時候，只是將電動汽車作為一種“電驅動”的汽車來討論。而電動汽車的價值可能不在“電驅動”上，而恰恰在那塊電池板上。

上文談到昂貴本身是一個相對的概念：

如果售價（Price）高于價值（Value）的話，我們會覺得這是一個昂貴的產品。

但如果價值（Value）高于售價（Price）的話，我們會覺得這是一個實惠的產品。

一塊電池在一臺電動車不再是一塊簡單的電池，他們一體成為了一個價值更高的商品——電動汽車，會有很多人愿意購買電動汽車不是因為它只是一塊電池，而是一臺車。

那我們有沒有其他途徑進一步提高電動汽車的價值，讓電動汽車更加實惠，從而促進更多人購買甚至促進新能源的發展呢？

答案是有的，并且有許多公司已經在實踐了。

四、儲能的潛力

根據美國交通咨詢師Paul Barter的一份研究表明，美國平均每輛汽車停在路上的時間占總時間的比例高達95%[4]，這固然有美國人均汽車保有量高和乘用車比例高的原因，但車輛停放時間遠長于運行時間是不爭的事實。 停放的電動汽車相當于一塊儲能電池，如果車輛停放的時候也能為車主賺錢，這顯然又會進一步增加電動汽車的吸引力。

（1）容量市場與V2G、V2B技術（荷蘭Utrecht電動巴士、日本尼桑Leaf）

容量市場：在可再生能源過剩時充入儲能元件，而電網負荷高峰期時，儲能元件再反向給電網提供電能。起到電網負荷的削峰填谷。

V2G全稱Vehicle-to-grid，也就是電動汽車反向向電網輸電。當電網負荷小時，可將多余的可再生能源或傳統電能充入電動汽車，在電網負荷大時再通過反向傳輸回電網。

目前看到初具規模的實踐案例有荷蘭Utrecht城市的電動巴士[5]，荷蘭的風電資源豐富，Utrecht城市的電動巴士可以通過和電網的雙向互動吸納更多風能，實現電網穩定，甚至通過反向賣電賺得一定收益。而這篇較早論文[6]量化地闡述了荷蘭這一現象。

V2B全稱Vehicle-to-building，也就是電動汽車反向向建筑輸電。

2013年，尼桑在厚木市利用6臺Leaf對Nissan Advanced Technology Center進行V2B實驗，在電費便宜的時候充電，在電費貴或負荷高的時候，反向向建筑充電。成功削減25.6kW的峰值負荷（占建筑總負荷的2.5%），預計一年能節省50000日元的電費約等于2950英鎊，并且這六輛Leaf是雇員的車，并不影響雇員的日常通勤使用。[7]

（2）頻率市場與動力電池循環梯次利用（德國Younicos）

頻率市場：大量新能源并網造成電力系統慣性降低，進而影響其頻率穩定性，造成頻率控制難度增大。利用儲能來對電網進行增強頻率將會獲得相應的收益。

動力電池循環梯次利用：電池的使用壽命長于電動汽車整車壽命，讓電動汽車在報廢時還擁有相對完好的電池，動力電池的批次利用也是一塊很大的市場。

代表模式有德國的Younicos公司，利用寶馬的廢舊電池和自己研發的電池進行儲能，并用軟件進行儲能電池管理（虛擬電廠）。再用高于市場電價3～5倍的調頻電價售電，實現盈利。

在2015年3月20日上午，北半球迎來了一次日全食，德國出現日偏食，光伏發電瞬間減少70%。而太陽能在德國電網的占比已超過三分之一，但這次日食并未造成德國電網的崩潰，其中Younicos的儲能系統起了關鍵作用，能在幾毫秒內瞬間將電池接入電網補充因為日食消失的電力。

德國是世界上能源結構中新能源占比最高的國家，2016年5月8日，德國新能源發電量達到了其用電量近95%。在今年五月，德國甚至因為可再生能源發電過剩，影響了電網穩定性，出現了“負電價”，即貼錢給用戶用電以消納多余的可再生電能。

PS: Younicos也將在英國的坎布里亞建設49MW電池儲能系統，是現在世界上最大和最先進的基于電池的能量存儲系統之一。

政策方面：

在2016年12月10日，國家發展改革委發布《可再生能源發展“十三五”規劃》，其中，“推動儲能技術示范應用”被列為八大主要任務之一。

在2016年12月19號國務院剛剛印發的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中，有關新能源汽車的第五條：“推動新能源汽車、新能源和節能環保產業快速壯大，構建可持續發展新模式”中的第二點：“全面提升電動汽車整車品質與性能”中，也明確提到了電動汽車和電力系統在儲能上的配合實現促進新能源的發展：開展電動汽車電力系統儲能應用技術研發，實施分布式新能源與電動汽車聯合應用示范，推動電動汽車與智能電網、新能源、儲能、智能駕駛等融合發展。

在去年的《中國能源報》與中國能源經濟研究院發布的《2016全球新能源企業500強分析報告》中，儲能產業迎來了2013年后的又一次爆發式增長，入選500強的儲能企業幾乎翻了一番。這主要是由于光伏產業發展的需要及新能源汽車產業發展所帶動的。

而中國于2015年3月下發的新電改方案，即《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（9號文）表示將會進行“電價機制改革”和“售電側放開”。未來在中國利用電動汽車的儲能電池進行儲能，并售電還是有很大的想象空間。

五、所謂科技生態

科技是一個生態圈，任何科技的產品的出現都會對其他科技產品產生有機的互動，甚至與其他科技產品形成共生，相互促進。

最近五十年來，科技生態最受矚目的共生鏈條是：

1958年，仙童半導體公司利用硅來取代傳統的鍺材料，開發出硅晶體管。

1971年，因特爾基于硅晶體管，開發出第一款商用微處理器Intel 4004。

1977年，蘋果公司基于微處理器，開發出第一款大獲成功的個人電腦Apple II。

1985年，微軟公司基于個人電腦開發出了圖形化操作系統Windows，進一步促進個人電腦的普及。

1993年4月30日，CERN宣布萬維網對任何人免費開放，大量已有的個人電腦接入萬維網，互聯網誕生。

1995年3月1日，雅虎成立，基于互聯網開發出了搜索引擎，促成了谷歌的成立。

2000～2010年，ARM、高通開發出低功耗處理器，谷歌、蘋果在低功耗處理器基礎上開發操作系統，智能手機面世并普及。

2010年至今，智能手機的普及讓各種傳感器和低功耗處理器價格迅速下降，廉價的傳感器和處理器讓智能硬件迎來熱潮，物聯網（IoT）概念隨之出現。

2010年至今，基于物聯網的出現收集的大量數據，大數據概念出現。

2013年至今，基于大量傳感器搜集的大數據，數據成為人工智能的基石，人工智能熱潮來臨。

電動汽車在這個時代受到熱捧必然有它的時代意義，電動汽車的出現得益于電池成本的下降和能量密度的上升，以及嵌入式技術和微處理器技術的發展帶來的成熟能量管理系統和電機控制系統。而同時，電動汽車也是很多下一代技術絕佳的實驗平臺。

一個好的科技產品是帶動整個產業配套前進的關鍵，每代iPhone之所以備受矚目的很重要的一個原因，正是在于iPhone是一個絕佳的技術試驗平臺，很多技術其實早已存在，但如果iPhone采用了的話，相應的零部件的整個產業鏈配套才會跟上，許多他廠家才敢采用進自己的產品（第一代iPhone的多點觸控、iPhone 4s的語言識別Siri，iPhone 5s的指紋鎖Touch ID，和iPhone 7的無線耳機等）。而如果iPhone采用了一項技術的話，會給相應的零部件帶來有保證的出貨量，在原材料供應充足的情況下， 這些零部件的價格會下降得很快，這時其他廠商再跟上則可以享受相應的好處。

電動汽車在科技領域具有重要價值正是因為它是下一代其他技術的絕佳實驗平臺，如自動駕駛、車聯網，這些又構成了下一代智慧城市的基石。

未來的交通不光會往更加清潔的方向發展，也會變得更加智能。

以后使用權比擁有權更加重要是一個大趨勢，自動駕駛技術的意義也在于進一步增加電動汽車的價值——意味著你在不需要使用的你汽車時，你也可以讓他出去來為別人服務幫你賺錢，而在你需要時又在指定時間指定地點回到你的身邊。這無疑又進一步提高了電動汽車的價值和吸引力。

特斯拉2016年公布的《特斯拉藍圖之第二篇章》（Master Plan, Part Deux）的最后一條就是實現無人駕駛，讓你的汽車可以在閑置時為你賺錢。

Tesla非常有遠見地在一開始生產汽車時候就加入了所有無人駕駛所需的硬件，之后通過空中升級一步步激活這些硬件逐步實現無人駕駛。

Tesla在2015年還開玩笑一樣推出了能自動找到充電口為汽車充電的蛇形充電機器人。大家當時都把這個產品當笑話看了，鮮有人點出無人充電+無人駕駛其實意味著你可以讓汽車在空閑的時候跑去Supercharger免費快速充電，之后再滿電回到你指定的地方，或者讓自己的車在外面幫你賺錢，以后要用車或接人都直接在手機上給出定位，汽車就可以在你指定的時間到達指定位置。Tesla提供的是一種全新的生活方式。

六、未來的可能

電動汽車和新能源的相互促進，將會帶給我們一個什么樣的未來？因為這個話題特別大，所以僅代表個人觀點，難免有疏漏之處，也請大家斧正。

從目前看來電動汽車和新能源的結合運用，需要結合不同國家和地區的不同特質因地制宜才能達到最好的效果，以下就美國、中國和英國三個我比較熟悉的新能源汽車環境談一談未來可能的利用電動汽車促進新能源發展的方式。

（1）美國：家用乘用車+光伏的微電網模式

美國因為地廣人稀，大部分人都住在獨立的房屋（House），僅有少部分人在像紐約這樣的超大城市才會住在公寓（Apartment）。這也導致了汽車成為了大部分人的必需品，人均汽車保有量很高，一個家庭甚至有兩臺以上的汽車。并且大量人擁有自己的屋頂和屋頂的光伏安裝使用權。

在這個情況下，汽車本身就是一塊很好的家用電池，家里有一臺電動汽車就可以安裝很小的儲能設備配備屋頂太陽能板，形成一個微電網系統實現光伏的自產自銷。

根據我的實地體驗，在Ithaca的一些社區里面已經實現了利用光伏發電，并在無法消納時反賣給電網模式，全年的用電成本僅僅略高于傳統用電。而一個光伏項目的儲能成本占據整個項目成本的30%～50%，在這種情況下，電動汽車充當儲能元件接入進來，進一步降低儲能的配套成本，是相當具有經濟吸引力的。

這種小型的電動汽車+光伏+儲能系統的模塊非常像互聯網的PC，如果這樣的模塊變得廉價，則會像PC普及一樣出現大量這樣的模塊。等到模塊到達一定數量，這些模塊之間互聯，“能源互聯網”就形成了。這種結構在視覺上有點像蜂窩，模塊內可以獨立運轉，脫網運行。而模塊間也可以進行電能交易，互相消納和購買多余的電能。電動汽車則是降低這個模塊成本的關鍵。

這種自下而上、分布式的發展模式，特別像互聯網和移動互聯網的發展路徑——先普及PC，再連接已有PC創造互聯網。先普及智能手機，再用移動視頻的流量需求反過來倒逼3G、4G技術的發展。

現在的配電網還沒有準備迎接大規模的分布式可再生能源并入，但如果先有下面的微電網模塊的成熟，并且微電網可以脫網運行，在內部可以獨立運轉，就給了配電網升級并進一步連接這些模塊的時間。這種分散式的網絡結構也給電網提供了更高的穩定性和冗余度。

在夏威夷這種陽光充裕的地方，大量用戶采用光伏+儲能的模式脫網運行甚至已經和當地的電網公司起了沖突。

Tesla一開始走的就是這個路線，并在收購了SolarCity之后完成了這部分的整合。

在2016年10月29號LA的SolarCity發布會上，這樣的能源互聯網基本模塊不再是2015年4月30號Tesla 發布Tesla Energy時那三張光伏+家用電池+電動汽車的幻燈片，變成了切切實實的產品，圍繞在發布會周圍。

在并購了SolarCity之后，Tesla的副總裁Ben Hill也對外宣稱，Tesla的V2G技術將會“很快很快”和大家見面（“very, very soon.”）。

（2）中國：公共交通+換電模式

與美國的分散式、自下而上的發展方式不同，中國適合集中式、自上而下的發展模式。

中國人口數量大，居住密集。城市交通發展的原則是確保公交先行，密集的居住環境和大城市有限的道路資源導致人均汽車保有量不會特別高。并且絕大多數人沒有屋頂的太陽能板的安裝使用權，電網也擁有很強的話語權（能源互聯網在美國是一個分布式網絡的概念，在中國則是集中式可再生能源發電+特高壓的大電網概念）。

在這種情況下，適合公共交通+換電模式的發展方式。

集中式有集中式的發展方法，公交有自己的特點：路線固定、通勤時間固定、電池型號固定接口統一、通勤時間直接與收益正相關等，與換電模式的快速、集中管理、適用于接口統一等特性非常契合。

快速換電讓公交車或的士能保持時刻運轉，延長運營時間增加盈利。換下來的電池可以集中管理，建造大型儲能電站，可對電池進行慢充延長電池壽命、可使用谷底電價進行充電降低成本、削峰填谷、減少電網諧波、提高電網負荷率等，也符合電網的利益。

（3）英國：氫能源+燃料電池汽車模式

英國作為一個地方不大但又很早工業化的國家，面臨著電力設施老舊和更新的諸多挑戰。

但同時英國擁有非常發達的氣網，大部分家庭的都有天然氣管道供暖。在北海進行大規模離岸風場的建設情況下，北海風場可能會出現大量的剩余電力無法并網，氫氣驅動英國的方案被逐步提了出來：利用多余的風電來電解水生成氫氣，再注入氣網供給每個家庭，家庭利用氫氣供暖、發電或注入自己的氫能源汽車。

如果在北海風電場進一步擴建的情況下，將出現大量風電過剩，利用這些零成本的風電去電解水產氫再注入氣網，這樣的方式是非常適合英國的。

最近聽聞英國陸上油氣公司（UKOOG）正在考慮利用電解水或去碳化頁巖氣生產氫氣，再將氫氣注入氣網的嘗試。利用劍橋大學的技術可以把去碳化頁巖氣的碳同時制作成建筑材料。但這樣的方法會降低頁巖氣的熱值，經濟性下降，實際可行性存疑。

七、結束語

總結一下文章的脈絡——為什么新能源汽車會對新能源的發展起到重要作用：

1）電網需要時刻保證發電量等于用電量，現在很多地區其實是新能源發電“過剩”——棄風棄光嚴重，新能源的兩個技術特性——隨時間、季節的變化而時刻變動、能量分散或遠離負荷中心，導致新能源并網困難。

2）為了更多可再生能源并網，電網正在往更大、更智能、更小的方向發展（微電網為細胞，智能電網為大腦，高壓傳輸線路大電網為骨架的三層結構），但同時都要采取兩種共同的措施：

a）電力電子化和智能化：智能化充分挖掘現有容量。b）增加儲能設施儲存可再生能源。而現有的電池儲能成本非常高，不具備大規模儲能的經濟可行性。

3）電動汽車拉動了電池產量的井噴，甚至讓電池出現了結構性產能過剩——電池可以以其他附加值更高的形式（電動汽車）引發大量需求，進入市場，但同時具備儲能價值：

a）利用V2G和V2B技術，參與電網調峰調頻，售電盈利。b）電池壽命長于整車壽命，電池的梯次利用。c）促成廉價微電網系統的誕生，促成能源互聯網廉價終端的出現。d）電動汽車及儲能的應用有政策利好，并已形成一定規模。e）電動汽車的科技價值：無人駕駛、車聯網、新一代共享經濟等技術和商業模式的實驗平臺。f）不同國家和地區利用新能源汽車促進新能源發展的模式需要因地制宜。

[1]．《2015年度全國可再生能源電力發展監測評價的通報》(國能新能[2016]214號)．

[2]．《2015中國新能源汽車市場研究》賽迪顧問(CCID)；中國電池網．

[3]．《2016-2022年中國動力電池市場運行態勢及投資戰略研究報告》智研咨詢．

[4]．Paul Barter, "Cars are parked 95% of the time"．Let's check!, (2013), [Online]． Available: "Cars are parked 95% of the time"． Let's check!．

[5]． Eltis． "Utrecht purchases new electric buses (Netherlands)", 19 Oct 2016, [Online]． Available: Utrecht purchases new electric buses (Netherlands)．

[6]．Larsen, Esben; Chandrashekhara, Divya K; stergaard, Jacob，“Electric Vehicles for Improved Operation of Power Systems with High Wind Power Penetration” IEEE Energy 2030 Conference, 2008． ENERGY 2008．

[7]．Amsterdam Roundtable Foundation and McKinsey & Company The Netherlands "Electric vehicles in Europe: Gearing up for a new phase?", pp．46, April 2014．