麦肯锡:电池储存如何帮助 电动汽车占据市场

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时间:2018-04-16 | 点击(81)

译自:2018年2月【美国】McKinsey网站
编译:工业和信息化部国际经济技术合作中心 谢攀

  电动汽车获得相当高的关注度,但在美国道路上依然很少看到。由于担心充电的问题,人们仍不愿意购买电动汽车。公共、快速充电的基础设施还没有普及。到2017年上半年,在美国销售的电动汽车(BEVs)不到80万辆,约占所有汽车的1%。但由于消费者接受程度提高,技术改进以及支持性政策,这个数值正在强劲增长。麦肯锡估计,到2030年美国道路上可能会有10-11百万辆电动汽车。

  但是,要实现这一点,充电基础设施必须得到改善。尽管许多电动汽车在家里充电,但是对于正在旅行的或者房屋没有充电设施的,公共充电设施是必要的。目前,美国只有约16000个公共充电站,加油站是公共充电站的七倍。其中不足2000个是快速充电站,因为快速充电站投资高,且交易太少而无法盈利。

  这是一个经典的“鸡和蛋”的问题。如果人们担心充电的问题而不愿意购买电动汽车。另一方面,只有销售更多的电动汽车才会催生更完善的充电设施。

两个问题,一个解决方案

两个主要问题

  第一个是便利性。目前,大多数公共充电站都是“2级”,这意味着他们每小时提供7-19千瓦时(kWh)的电量(把千瓦时想象成每加仑燃气)。一辆使用60千瓦时电池的电动轿车需要5-10小时才能在二级充电站(不是快速充电)充满电。 拥有如此少的充电站和如此长的充电时间,将会阻止潜在买家(图表1)。

  第二个是经济性。虽然150千瓦的直流快速充电站(DCFC)可以在30分钟内充满电动轿车,但安装费用高达150000美元;一个50千瓦的DCFC可能需要50000美元。同时,DCFC站的运行也很昂贵。费用高还有一个隐藏的原因是“需求费用”。所有的电力客户支付他们消耗的能源,以千瓦时为单位。包括充电站在内的非住宅客户还需要支付一个月内15至30分钟内使用的最大能源需求费用。以千瓦(kW)作为单位计算,此费用就像支付开销。这是为了补偿发电厂,电力线路,变压器等将客户连接到电网并在高需求时供电的固定成本。需求费用占消费者电费的很大一部分,并使电动充电站无利可图(图表2)。

  在电动汽车充电的特定情况下,一旦车辆插入,充电站所有者必须支付需求费用。这受现场充电器的数量、插入汽车时使用的最大功率(以千瓦为单位)以及在任何15到30分钟的时段内同时充电的车辆数量等因素的影响。

  假设,一个快速充电站有四个150千瓦的充电桩。在平均一个月里,每天有两三辆汽车充电,但没有同时充电的情况。每辆车以150千瓦的速度充电并至少15分钟,则该月的峰值为150千瓦。但是,如果在同样的15分钟内出现两辆汽车,那么该月的峰值将为300千瓦,这将使该月的需求费用增加一倍。

  需求费用的范围是每千瓦2美元至每千瓦90美元;自相矛盾的是,在电动汽车更受欢迎的州,如加利福尼亚州,马萨诸塞州和纽约,它们往往更高。在高充电状态下,没有车辆同时充电,每月需求费用可能是3000至4500美元。对于电动汽车所有者而言,这可以转化为每次充电30美元至50美元。显然,如果有更多的客户,成本会下降。但由于目前的成本太高,投资者建站的速度缓慢,而由于没有足够的充电站,消费者购买电动汽车的速度很慢。

解决方案

  有一种方法可以解决这个难题:固定电池存储(图3)。现场电池可以使用直流(DC)进行充电和放电,并通过大型逆变器连接到电网。然后,他们可以在成本较低的时候从电网充电,存储电力,并在需求较高时释放电力(称为峰值削减)。当汽车到充电站充电时,电池可以输送150千瓦的电力,而无需从电网获取电力。如果两辆车同时到充电站,可以一辆从电池获得电力,另一辆从电网获得电力。无论是哪种情况,经济性都有所改善,因为电力本身和需求费用都大大降低了。

  根据麦肯锡公司的研究,电池的成本正在下降,从2010年的每千瓦时1000美元降至2016年的每千瓦时230美元。其余的成本也在下降,例如逆变器,集装箱,软件和控制系统,现场设计,建设以及与电网的连接。

  这是如何工作的?充电站所有者安装了一个能够以150千瓦的功率进行充电和放电的蓄电池系统,并且建造了300千瓦小时的蓄电池组以保存能量。当没有车辆存在时,电池系统充电以确保电量可用并且不会触发更高的需求费用。当一辆汽车到达时,该电池可以在不需要电网的情况下提供所需的能源。当两辆车来充电时,一个用电池充电,另一个用电网充电。一个300kWh容量的电池可以将峰值需求保持在150千瓦以下。以这种方式配置的系统可以将需求费用降至最低,大大降低成本。特斯拉已经表示将朝着这个方向发展,其他可能会“效仿”。

  如果电动汽车大量上路,电池将不再能够有效地降低高峰需求,因为当汽车排队供电时,没有足够的时间来充电。然而,在这一点上,规模经济将会起作用,需求费用将被通过该充电站的大量汽车吸收。这并不意味着现场电池将会过时。它们仍然是有价值的。在用电成本差异很大的地方,如加利福尼亚州,电池可以降低每千瓦小时的电力成本。他们还可以通过提供额外的服务(如频率调节和需求响应)来产生收入。 电动汽车的前景还是很乐观的,因为人们对环境的担忧加剧,油价波动以及成本下降。据麦肯锡估计,电动汽车占比将会剧烈增加。

  但这些都是假设情景。事实上,最终决定电动车命运的是消费者。习惯于传统汽车的舒适性,他们希望电动汽车能够拥有同样的功能。要做到这一点,充电必须变得更便宜、更快捷。降低运营成本,增加收入并提高可靠性,电池存储可能在这一演变过程中发挥至关重要的作用。

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