研究背景
为如期实现碳达峰、碳中和的目标，需要大幅提高可再生能源比例，降低石化能源比重，新能源革命是实现碳中和的必经之路。在此目标下，面向碳中和的新型电力系统由于高比例可再生能源渗透，将面临灵活性调节资源不足的储能瓶颈。针对此问题，论文提出了以新能源汽车为核心枢纽的储能、氢能和智能耦合的交通能源电力一体化技术方案，并给出了相应的技术可行性、发展路线图和政策建议。测算结果显示，车载动力电池与电网互动是安全性高、成本低、规模大的分布式短周期储能方式，能够满足短周期峰谷调节的需求。而由氢能交通带动的氢能多元利用，是长周期、集中式能量转换的理想方式，二者结合能够满足我国2040年日内和季节性电力调峰需求，为双碳目标的达成提供了有力的支撑。
研究内容
1. 电动汽车发展预测及车网互动影响分析。在技术、市场和政策等多种激励因素的作用下，根据Logistic曲线和《节能与新能源技术路线图2.0》预测数据计算，2030年我国新能源汽车保有量将达9000万辆；2035年将达到2亿辆；2040年达到3亿辆；2050年达到3.6亿辆左右。若采用统计数据中无序充电的分布模式，由于充电的时间段集中在晚上和白天的用电高峰，电动汽车的充电负荷将分别抬升电网最高用电负荷约9.79%、12.19%和20.11%。采用智能有序充电和车网互动的技术，有助于减小电网增容投资的压力。
图1 我国新能源汽车保有量增长及预测（万辆）
图2 电动汽车冲击电网负荷预测
2. 车网互动的储能潜力巨大。从能量的角度看，到2040年，我国电动汽车保有量达到3亿辆，每辆车平均电量大于65kW·h，则车载储能容量超过200亿kW·h，与我国每天消费总电量基本相当。若进一步考虑出行需求，乘用车每日可灵活参与电网调度的平均电量仍可以达到104亿kW·h。从功率的角度看，假设乘用车停充补电采用15kW双向充电桩，根据日出行概率分布，新能源汽车对电网功率支撑的能力达到29~35亿kW，约为当年全国非化石能源装机总量的一半。根据仿真测算，一方面有序充电将部分高峰期负荷转移至发电量充足的时间段，另一方面电动汽车V2G分布式储能在日间提供了超过60和100亿kW·h的能量，即便考虑波动较大、工况恶劣的特殊天气，电动汽车分布式储能也可以满足3~5天内的日间电量的调峰转移。在此基础上，论文进一步给出了电动汽车车网互动发展路线图，如图4所示。
图3 2035年和2040年电动汽车V2G场景分析
图4 车网互动发展路径展望
3. 系统综述了氢能的多元利用形式。氢能的战略意义在于其在可再生能源转型中的大规模能量储存与多元化利用需求，作为弹性能源载体可以连接不同能源行业和输配网络。氢能交通是氢能利用的先导，其使命是带动氢能的全面发展。在所有储能技术中，氢及氢的载体（氨、甲醇等）更适用于长周期储能，这主要得益于氢储能容量和功率解耦特性，即成本随着储能周期增加不会显著增加。进一步来说，氢能及其载体可作为发电燃料，通过氢/氨燃料电池、氢/氨内燃机、氢/氨燃气轮机等方式支撑规模化集中发电系统，通过掺混逐步替代有污染的火电厂燃料。
图5 氢能产业链组成示意图
图6 典型储能路径比较
4. 建立了氢能和储能系统互补的智能化新能源电力系统的投资运行模型。结合光伏、风电、火电的实例，将车用动力电池、电化学储能、氢能实现电网时变能量平衡进行建模分析。考虑煤电机组爬坡速度率和启停最低时长等灵活性约束，计算基础设施投资、运行成本和排放成本协同的混合整数线性优化问题。以西北某省的数据为例，由于氢能功率和能量解耦的特性，在该地区使用氢能+储能的方案比单纯使用电化学储能可以降低67%的成本，验证了二者协同发展的作用。
图7 西北某省输入负荷和风电、光伏年度数
图8 优化流程
图9 可再生能源-氢-储能系统小时级平衡
结论与建议
论文聚焦碳达峰与碳中和目标下新型电力系统的储能瓶颈，提出了以新能源汽车为核心枢纽的储能、氢能和智能耦合系统，并论证了其在技术、成本、规模等方面的优势和可行性。
1. 在储能方面，对新能源汽车市场发展、电池技术路线、基础设施建设、出行行为和技术要求进行了评估预测，并测算了车网互动参与电网调节的能量和功率潜力，3亿辆电动汽车灵活调节容量超过100亿kW·h，车载电池与电网互动是安全性高、成本低、规模大的分布式储能方式。2. 在氢能方面，对制氢技术、燃料电池、氢能交通和氢能多元利用的技术进行了综述和展望，氢和氢载体由于其能量和功率解耦的特性，适用于长周期、大规模的能量转换，未来有望替代燃煤和燃气机组成为新型低碳电力系统中的重要灵活性发电环节。3. 在智能方面，对电动汽车充换电、储能电站和氢能利用一体化的能源电力系统架构进行了展望，并且通过优化算例验证了储能和氢能分别进行短周期和长周期调节的经济性。算例显示，引入氢-储耦合系统比单独使用电化学储能节约一半以上成本。总而言之，面向碳中和的新能源汽车革命将引发交通和能源融合的技术变革，为我国实现双碳目标、向新型电力系统转变提供有力的技术支撑。
创新点和意义
针对双碳目标下的新能源革命及其储能技术瓶颈，论文基于对未来汽车交通电气化、绿色化发展及其对其他产业带动作用的判断预测，提出了以新能源汽车为核心枢纽的储能、氢能和智能耦合的交通能源电力一体化技术方案，通过相关的技术分析、趋势研判和算例验证，证明其技术可行性，并给出了相应的发展路线图和政策建议，希望对交通、电力和能源等领域的进一步研究和发展提供一些启发借鉴。
