電動汽車是如何為電網供電的？

與我們常見的那些充電站不同，烏得勒支的許多充電站不僅能為電動汽車充電，還可以將汽車電池中的電力輸送至當地公用電網，供家庭和企業使用。 關于這種車輛到電網（V2G）技術的可行性和價值的爭論可以追溯到幾十年前，而且至今仍未解決。但大眾、日產和現代等大型汽車制造商已經開始生產能夠使用這種雙向充電器的汽車，同時還采用了類似的車輛到家（V2H）技術，比如停電時，可以通過汽車為房子供電，福特新推出的F-150 Lightning推廣的就是這項技術。電動汽車的迅速普及讓許多人開始認真思考要如何充分利用這種周而復始的電池能量。 烏得勒支是阿姆斯特丹南部一座擁有35萬人口的自行車城市，現已成為雙向充電技術的試驗場，全世界的汽車制造商、工程師、城市管理者和電力公司都對這種技術非常感興趣。

這項倡議提出的背景是市民們希望每天在不造成碳排放的情況下出行，并且越來越意識到可再生能源和能源安全的價值。 “我們想要改變?！睘醯美罩Ц笔虚L之一兼發展、教育和公共衛生議員伊爾科?埃倫伯格（Eelco Eerenberg）說。而部分改變涉及擴展該市的電動汽車充電網絡?！拔覀冋谘芯肯乱粋€充電站的建設地點?！?因此，車輛到電網概念的首次提出以及它們在烏得勒支發展的如何，現在是考慮的好時機。

荷蘭烏得勒支正在擁抱V2G技術。圖中的電動汽車正在使用雙向充電站，遠處荷蘭歷史悠久的萊茵佐恩（Riin en Zon）風車與這個場景相得益彰。

25年前，美國特拉華大學的能源和環境專家威利特?坎普頓（Willett Kempton）和美國綠山學院能源經濟學家史蒂夫?萊坦德（Steve Letendre）描述了他們眼中的“電驅動車輛和供電系統之間的初步互動”。這對搭檔與加州大學伯克利分校的蒂莫西?利普曼（Timothy Lipman）和AC Propulsion公司的亞歷克?布魯克斯（Alec Brooks）一起，為車輛到電網電力技術奠定了基礎。 他們最初的想法是，停放在車庫里的車具備一個由計算機控制的雙向電網連接，既可以接收來自車輛的電力，也可以為車輛供電?？财疹D和萊坦德于1997年在《交通研究》（Transportation Research）期刊上發表的論文介紹了在出現公用事業緊急情況或停電時，人們如何利用家中的電動汽車電池電力為電網饋電。有了街頭充電器，饋電甚至不需要房子了。

雙向充電使用了面包籃大小的逆變器，逆變器位于專用充電箱或車上。為車輛充電時，逆變器將交流電轉換為直流電，向電網供電時，逆變器則將直流電轉換成交流電。這對電網有益，但尚不明確對駕駛員有什么好處。 這是一個令人煩惱的問題。在適當時候向電網回送一點電，車主可以通過這種方式賺點錢，或者節省電費，亦或間接補貼其汽車運行費用。但從坎普頓和萊坦德提出這一概念起，潛在用戶就擔心電池損耗會帶來損失。也就是說，過度循環使用電池會不會過早地降低汽車的核心性能？這些問題遲遲未解決，人們不清楚車輛到電網技術是否會流行起來。 市場觀察家們已經看到了車輛到電網技術一系列“即將到來”的時刻。

2011年，美國特拉華大學和新澤西公用事業公司NRG Energy簽署了一項技術許可協議，首次將車輛到電網技術商業化。他們的研究合作關系持續了4年。 近年來，這些試點項目在歐洲和美國以及中國、日本和韓國都有所增加。英國目前正在郊區住宅中開展試驗，利用室外壁掛式充電器計量，用于支付車主的公用事業費用，以換取在高峰時間上傳電池電力。其他試驗則包括商用車隊、哥本哈根的一組多用途運載車、伊利諾伊州的兩輛電動校車和紐約的5輛電動校車。

盡管如此，這些試點項目仍然只是試點，沒有哪個項目演變成大規模系統。不過這種情況很快就會改變。人們對電池損耗的擔憂正在減少。去年，美國羅切斯特大學的赫塔?甘地（Heta Gandhi）和安德魯?懷特（Andrew White）對車輛到電網進行了經濟學建模，然后發現電池退化成本極小。甘地和懷特還指出，隨著時間的推移，電池的資本費用已經顯著下降，從2010年的每千瓦時1000美元以上降至2020年的140美元左右。

隨著車輛到電網技術變得可行，烏得勒支成為了首批完全接納該技術的地方之一。

這座受大風侵襲的荷蘭城市之所以會發生變化，其背后的關鍵力量并非全球市場趨勢或工程解決方案的成熟，而是在正確的時間、正確的地點激勵了正確的人。 羅賓?伯格（Robin Berg）便是其中之一，2016年，他在烏得勒支的家中創辦了一家名為We Drive Solar的公司。該公司已發展成為一家共享車隊運營商，擁有225輛不同品牌和型號的電動汽車，其中大多數是雷諾Zoe，不過也有特斯拉Model 3、現代Kona和現代艾尼氪5。在此過程中，伯格吸引了合作伙伴，并制定了將雙向充電引入We Drive Solar車隊的路線。其公司現有27輛具有雙向充電功能的汽車，預計未來幾個月還會增加150輛。

組成這樣一支車隊并不容易。We Drive Solar有兩輛雙向充電的雷諾Zoe是原型車，是伯格通過與法國汽車制造商合作獲得的。能夠雙向充電的量產Zoe尚未問世。2021年4月，現代向We Drive Solar交付了25輛具有雙向充電功能的長軸距艾尼氪5。這些是帶有改良軟件的量產車，現代正在少量生產，并計劃在即將推出的車型中引入該技術作為標準。 We Drive Solar的1500名用戶不必擔心電池損耗問題，如果這是個問題，那也是公司的問題，而且伯格并不認為這是個問題?！拔覀冇肋h不會到達電池的極限?！彼f，這意味著電池的充電狀態永遠不會高或低到足以大幅縮短其壽命。 We Drive Solar并不提供自由隨行、在應用程序上取車并在任何地點皆可還車的服務。汽車有專用停車位。用戶可以預訂車輛，開車去自己想去的任何地方，并在同一地點取車和還車。我拜訪伯格的那天，他公司旗下有兩輛車甚至一輛開往瑞士阿爾卑斯山，一輛開往挪威。伯格希望他的客戶能夠將某輛車（以及相關的停車位）視作自己的座駕，定期使用同一輛車以增強專屬感。 伯格會嘗試涉足電動汽車共享和電力聯網技術，尤其是雙向充電，其實并不意外。

21世紀初，他創辦了一家名為LomboXnet的本地服務提供商，在教堂尖塔和鎮上最高的酒店之一的屋頂安裝視距Wi-Fi天線。當互聯網流量開始擠占他的無線電網絡時，他又鋪設了光纜。 2007年，伯格與當地一所學校簽訂了屋頂太陽能安裝合同，并提出了建立微電網的想法。他現在管理著全市1萬所學校的屋頂太陽能板。他的走廊壁櫥里排列著一組用來監測太陽能流動的電表，部分太陽能流向其公司的電動汽車電池，公司名“We Drive Solar”也就是這樣來的。 伯格并不是通過坎普頓或任何其他早期車輛到電網技術的擁護者了解到雙向充電的，而是因為十年前的福島核電站災難才聽說這項技術。

當時他擁有一輛日產聆風，他讀到了一篇介紹這些汽車如何在福島地區提供應急電源的文章。 “不錯，這是一項有趣的技術?！辈窕貞浀??！坝袥]有辦法擴大規模呢？”日產同意向他提供一個雙向充電器，伯格便給烏得勒支城市規劃人員打電話，表示想為其安裝一條電纜。這便產生了更多的聯系，包括與當地低壓電網管理公司Stedin的聯系。安裝充電器后，Stedin的工程師想知道為什么儀表有時會倒轉。后來，烏得勒支地區開發局的艾林?登?丹（Irene ten Dam）聽說了他的試驗，并對此產生了興趣，成為了雙向充電的倡導者。 伯格和志同道合的城市工作人員吸引了更多的合作伙伴，包括Stedin、軟件開發商和一家充電站制造商。2019年，荷蘭國王威廉?亞歷山大（Willem Alexander）主持了烏得勒支一個雙向充電站的安裝。伯格說：“城市和電網運營商都在尋找擴大規模的方法，這是一件好事?！彼f，他們想做一個項目然后出一份報告，而是真的想進下一步工作。

下一步工作正在加速開展。

烏得勒支現在有800個雙向充電器，由荷蘭工程公司NieuweWeme設計和制造。這座城市很快就會有更多需求。 “人們正在購買越來越多的電動汽車?！笔凶h員埃倫伯格說。市政府官員注意到近年來此類購買激增，卻也聽到烏得勒支人抱怨要經過漫長的申請程序才能安裝充電器并使用。埃倫伯格是一位受過培訓的計算機科學家，他仍在努力解決這些問題。他意識到，如果要滿足荷蘭政府提出的所有新車在8年內實現零排放的要求，烏得勒支市必須加快速度。 雖然紐約和加利福尼亞要求更多零排放車輛上路的類似命令失敗了，但現在車輛電氣化的壓力反而更大了。烏得勒支市的官員們希望走在對更加綠色的交通解決方案的需求之前。這座城市剛剛修建了一個可停放1.25萬輛自行車的中央地下停車場，并耗時數年挖了一條貫穿市中心的高速公路，后又以潔凈空氣和健康城市生活的名義用一條運河替代了它。

該市的能源轉型經理馬蒂斯?柯克（Matthijs Kok）是促成這些變化的驅動者。他帶我騎自行車參觀了烏得勒支的新綠色基礎設施，并介紹了最近新增加的一些設施，比如一塊固定電池，該電池將從安裝在當地公共住宅開發項目中的許多太陽能電池板收集并存儲太陽能。 柯克停下自行車，指著一座磚房說：“這就是為什么我們都這么做?！贝u房里存放著一臺400千瓦的變壓器。從發電廠到高壓電線，到中壓變電站，到低壓變壓器，再到人們的廚房，這些變壓器是這條鏈條中的最后一環。 通常一座城市有成千上萬臺變壓器。但如果一個地區需要充電的電動汽車太多，這種變壓器就很容易過載，而雙向充電有望緩解此類問題。 柯克與市政府其他部門合作匯編數據并繪制地圖，將城市劃分為多個社區。

每一個社區都標注著人口、家庭類型、車輛和其他數據。他們與簽約的數據科學小組合作，利用普通市民提供的信息，開發了一種策略驅動算法，用于幫助選擇新充電站的最佳位置。該市還在與車輛充電站運營商的10年合同中加入了部署雙向充電器的激勵措施。所以，這些充電器發展很快。 專家預計，雙向充電對可以預測移動軌跡的車隊車輛尤其有效。在這種情況下，運營商可以輕松地計劃汽車電池的充電和放電時間。 通過在需求高峰期將其車隊的電池電力輸送到當地電網，并在非高峰時段對汽車電池進行充電，We Drive Solar公司獲得了好評。如果做得好，司機在提車時就不會影響行程。這些日常能源交易也有助于降低用戶的使用價格。 像We Drive Solar這樣鼓舞人心的汽車共享計劃吸引了烏得勒支的官員，因為停車難是大多數發展中的城市常見的慢性病。烏得勒支市中心附近的一個大型建筑工地很快將新增1萬套公寓。新增住房受人歡迎，但新增1萬輛汽車卻不是。規劃者希望這一比例更接近每10個家庭擁有一輛車，新社區的專用公共停車場數量將反映這一目標。

歐洲交通電氣化的預測規模之大令人生畏。

根據歐洲電力/德勤的一份報告，到2030年，歐洲可能有5000萬至7000萬輛電動汽車，需要數百萬個雙向或其他方式的新充電點。需要對配電網進行數千億歐元的投資來支持這些新站點。 就在埃倫伯格和我坐在市政廳里談論烏得勒支的充電站規劃算法的前一天早上，烏克蘭爆發了戰爭?，F在的能源價格已使許多家庭瀕臨崩潰。在美國的一些地方，汽油價格已經達到每加侖6美元（可能更高）。6月中旬，德國一輛普通大眾高爾夫的司機需支付約100歐元（超過100美元）才能加滿油箱。4月1日，英國的公用事業賬單平均上漲了50%以上。 戰爭顛覆了歐洲大陸和世界各地的能源政策，將人們的注意力集中在了能源獨立和安全上，并加強了已在實施的政策，如在市中心建立零排放區和用電動汽車取代傳統汽車。

人們通常不清楚如何才能以最佳方式實現所需的變化，但建?？梢蕴峁椭?。 正在烏得勒支大學Wilfried van Sark光伏集成實驗室攻讀博士學位的尼科?布林克爾（Nico Brinkel）專注于地方建模。根據他的計算，在烏得勒支及其周邊地區，低壓電網的強化成本大約為每臺變壓器1.7萬歐元，更換電纜的每公里成本約為10萬歐元。

“如果我們要轉向純電力系統，如果要增加大量風能、太陽能、熱泵、電動汽車……，”他的聲音逐漸減弱，“我們的電網不是為此而設計的?！?不過，電力基礎設施必須跟上。布林克爾的一項研究表明，如果很大一部分電動汽車充電站是雙向的，那么這些成本就能夠以更易于管理的方式進行分攤?！袄硐肭闆r下，我認為所有新充電器最好都是雙向的?！彼f，“額外成本沒有那么高?！?伯格不需要令人信服。他一直在思考雙向充電能為整個荷蘭帶來什么。他估計，在一個擁有800萬輛汽車的國家，150萬輛具有雙向充電能力的電動汽車將平衡國家電網?！澳敲?，你就可以用可再生能源做任何事情?！彼f。 鑒于他所在的國家最初只有幾百輛能夠雙向充電的汽車，150萬是一個大數目。但終有一天，荷蘭人可能真的會實現。

作者：Michael Dumiak

審核編輯：黃飛