电动汽车是如何为电网供电的？

与我们常见的那些充电站不同，乌得勒支的许多充电站不仅能为电动汽车充电，还可以将汽车电池中的电力输送至当地公用电网，供家庭和企业使用。 关于这种车辆到电网技术的可行性和价值的争论可以追溯到几十年前，而且至今仍未解决。但大众、日产和现代等大型汽车制造商已经开始生产能够使用这种双向充电器的汽车，同时还采用了类似的车辆到家技术，比如停电时，可以通过汽车为房子供电，福特新推出的F-150 Lightning推广的就是这项技术。电动汽车的迅速普及让许多人开始认真思考要如何充分利用这种周而复始的电池能量。 乌得勒支是阿姆斯特丹南部一座拥有35万人口的自行车城市，现已成为双向充电技术的试验场，全世界的汽车制造商、工程师、城市管理者和电力公司都对这种技术非常感兴趣。
这项倡议提出的背景是市民们希望每天在不造成碳排放的情况下出行，并且越来越意识到可再生能源和能源安全的价值。 “我们想要改变。”乌得勒支副市长之一兼发展、教育和公共卫生议员伊尔科•埃伦伯格说。而部分改变涉及扩展该市的电动汽车充电网络。“我们正在研究下一个充电站的建设地点。” 因此，车辆到电网概念的首次提出以及它们在乌得勒支发展的如何，现在是考虑的好时机。
荷兰乌得勒支正在拥抱V2G技术。图中的电动汽车正在使用双向充电站，远处荷兰历史悠久的莱茵佐恩风车与这个场景相得益彰。
25年前，美国特拉华大学的能源和环境专家威利特•坎普顿和美国绿山学院能源经济学家史蒂夫•莱坦德描述了他们眼中的“电驱动车辆和供电系统之间的初步互动”。这对搭档与加州大学伯克利分校的蒂莫西•利普曼和AC Propulsion公司的亚历克•布鲁克斯一起，为车辆到电网电力技术奠定了基础。 他们最初的想法是，停放在车库里的车具备一个由计算机控制的双向电网连接，既可以接收来自车辆的电力，也可以为车辆供电。坎普顿和莱坦德于1997年在《交通研究》期刊上发表的论文介绍了在出现公用事业紧急情况或停电时，人们如何利用家中的电动汽车电池电力为电网馈电。有了街头充电器，馈电甚至不需要房子了。
双向充电使用了面包篮大小的逆变器，逆变器位于专用充电箱或车上。为车辆充电时，逆变器将交流电转换为直流电，向电网供电时，逆变器则将直流电转换成交流电。这对电网有益，但尚不明确对驾驶员有什么好处。 这是一个令人烦恼的问题。在适当时候向电网回送一点电，车主可以通过这种方式赚点钱，或者节省电费，亦或间接补贴其汽车运行费用。但从坎普顿和莱坦德提出这一概念起，潜在用户就担心电池损耗会带来损失。也就是说，过度循环使用电池会不会过早地降低汽车的核心性能？这些问题迟迟未解决，人们不清楚车辆到电网技术是否会流行起来。 市场观察家们已经看到了车辆到电网技术一系列“即将到来”的时刻。
2011年，美国特拉华大学和新泽西公用事业公司NRG Energy签署了一项技术许可协议，首次将车辆到电网技术商业化。他们的研究合作关系持续了4年。 近年来，这些试点项目在欧洲和美国以及中国、日本和韩国都有所增加。英国目前正在郊区住宅中开展试验，利用室外壁挂式充电器计量，用于支付车主的公用事业费用，以换取在高峰时间上传电池电力。其他试验则包括商用车队、哥本哈根的一组多用途运载车、伊利诺伊州的两辆电动校车和纽约的5辆电动校车。
尽管如此，这些试点项目仍然只是试点，没有哪个项目演变成大规模系统。不过这种情况很快就会改变。人们对电池损耗的担忧正在减少。去年，美国罗切斯特大学的赫塔•甘地和安德鲁•怀特对车辆到电网进行了经济学建模，然后发现电池退化成本极小。甘地和怀特还指出，随着时间的推移，电池的资本费用已经显著下降，从2010年的每千瓦时1000美元以上降至2020年的140美元左右。

随着车辆到电网技术变得可行，乌得勒支成为了首批完全接纳该技术的地方之一。
这座受大风侵袭的荷兰城市之所以会发生变化，其背后的关键力量并非全球市场趋势或工程解决方案的成熟，而是在正确的时间、正确的地点激励了正确的人。 罗宾•伯格便是其中之一，2016年，他在乌得勒支的家中创办了一家名为We Drive Solar的公司。该公司已发展成为一家共享车队运营商，拥有225辆不同品牌和型号的电动汽车，其中大多数是雷诺Zoe，不过也有特斯拉Model 3、现代Kona和现代艾尼氪5。在此过程中，伯格吸引了合作伙伴，并制定了将双向充电引入We Drive Solar车队的路线。其公司现有27辆具有双向充电功能的汽车，预计未来几个月还会增加150辆。
组成这样一支车队并不容易。We Drive Solar有两辆双向充电的雷诺Zoe是原型车，是伯格通过与法国汽车制造商合作获得的。能够双向充电的量产Zoe尚未问世。2021年4月，现代向We Drive Solar交付了25辆具有双向充电功能的长轴距艾尼氪5。这些是带有改良软件的量产车，现代正在少量生产，并计划在即将推出的车型中引入该技术作为标准。 We Drive Solar的1500名用户不必担心电池损耗问题，如果这是个问题，那也是公司的问题，而且伯格并不认为这是个问题。“我们永远不会到达电池的极限。”他说，这意味着电池的充电状态永远不会高或低到足以大幅缩短其寿命。 We Drive Solar并不提供自由随行、在应用程序上取车并在任何地点皆可还车的服务。汽车有专用停车位。用户可以预订车辆，开车去自己想去的任何地方，并在同一地点取车和还车。我拜访伯格的那天，他公司旗下有两辆车甚至一辆开往瑞士阿尔卑斯山，一辆开往挪威。伯格希望他的客户能够将某辆车视作自己的座驾，定期使用同一辆车以增强专属感。 伯格会尝试涉足电动汽车共享和电力联网技术，尤其是双向充电，其实并不意外。
21世纪初，他创办了一家名为LomboXnet的本地服务提供商，在教堂尖塔和镇上最高的酒店之一的屋顶安装视距Wi-Fi天线。当互联网流量开始挤占他的无线电网络时，他又铺设了光缆。 2007年，伯格与当地一所学校签订了屋顶太阳能安装合同，并提出了建立微电网的想法。他现在管理着全市1万所学校的屋顶太阳能板。他的走廊壁橱里排列着一组用来监测太阳能流动的电表，部分太阳能流向其公司的电动汽车电池，公司名“We Drive Solar”也就是这样来的。 伯格并不是通过坎普顿或任何其他早期车辆到电网技术的拥护者了解到双向充电的，而是因为十年前的福岛核电站灾难才听说这项技术。
当时他拥有一辆日产聆风，他读到了一篇介绍这些汽车如何在福岛地区提供应急电源的文章。 “不错，这是一项有趣的技术。”伯格回忆道。“有没有办法扩大规模呢？”日产同意向他提供一个双向充电器，伯格便给乌得勒支城市规划人员打电话，表示想为其安装一条电缆。这便产生了更多的联系，包括与当地低压电网管理公司Stedin的联系。安装充电器后，Stedin的工程师想知道为什么仪表有时会倒转。后来，乌得勒支地区开发局的艾林•登•丹听说了他的试验，并对此产生了兴趣，成为了双向充电的倡导者。 伯格和志同道合的城市工作人员吸引了更多的合作伙伴，包括Stedin、软件开发商和一家充电站制造商。2019年，荷兰国王威廉•亚历山大主持了乌得勒支一个双向充电站的安装。伯格说：“城市和电网运营商都在寻找扩大规模的方法，这是一件好事。”他说，他们想做一个项目然后出一份报告，而是真的想进下一步工作。
下一步工作正在加速开展。
乌得勒支现在有800个双向充电器，由荷兰工程公司NieuweWeme设计和制造。这座城市很快就会有更多需求。 “人们正在购买越来越多的电动汽车。”市议员埃伦伯格说。市政府官员注意到近年来此类购买激增，却也听到乌得勒支人抱怨要经过漫长的申请程序才能安装充电器并使用。埃伦伯格是一位受过培训的计算机科学家，他仍在努力解决这些问题。他意识到，如果要满足荷兰政府提出的所有新车在8年内实现零排放的要求，乌得勒支市必须加快速度。 虽然纽约和加利福尼亚要求更多零排放车辆上路的类似命令失败了，但现在车辆电气化的压力反而更大了。乌得勒支市的官员们希望走在对更加绿色的交通解决方案的需求之前。这座城市刚刚修建了一个可停放1.25万辆自行车的中央地下停车场，并耗时数年挖了一条贯穿市中心的高速公路，后又以洁净空气和健康城市生活的名义用一条运河替代了它。
该市的能源转型经理马蒂斯•柯克是促成这些变化的驱动者。他带我骑自行车参观了乌得勒支的新绿色基础设施，并介绍了最近新增加的一些设施，比如一块固定电池，该电池将从安装在当地公共住宅开发项目中的许多太阳能电池板收集并存储太阳能。 柯克停下自行车，指着一座砖房说：“这就是为什么我们都这么做。”砖房里存放着一台400千瓦的变压器。从发电厂到高压电线，到中压变电站，到低压变压器，再到人们的厨房，这些变压器是这条链条中的最后一环。 通常一座城市有成千上万台变压器。但如果一个地区需要充电的电动汽车太多，这种变压器就很容易过载，而双向充电有望缓解此类问题。 柯克与市政府其他部门合作汇编数据并绘制地图，将城市划分为多个社区。
每一个社区都标注着人口、家庭类型、车辆和其他数据。他们与签约的数据科学小组合作，利用普通市民提供的信息，开发了一种策略驱动算法，用于帮助选择新充电站的最佳位置。该市还在与车辆充电站运营商的10年合同中加入了部署双向充电器的激励措施。所以，这些充电器发展很快。 专家预计，双向充电对可以预测移动轨迹的车队车辆尤其有效。在这种情况下，运营商可以轻松地计划汽车电池的充电和放电时间。 通过在需求高峰期将其车队的电池电力输送到当地电网，并在非高峰时段对汽车电池进行充电，We Drive Solar公司获得了好评。如果做得好，司机在提车时就不会影响行程。这些日常能源交易也有助于降低用户的使用价格。 像We Drive Solar这样鼓舞人心的汽车共享计划吸引了乌得勒支的官员，因为停车难是大多数发展中的城市常见的慢性病。乌得勒支市中心附近的一个大型建筑工地很快将新增1万套公寓。新增住房受人欢迎，但新增1万辆汽车却不是。规划者希望这一比例更接近每10个家庭拥有一辆车，新社区的专用公共停车场数量将反映这一目标。
欧洲交通电气化的预测规模之大令人生畏。
根据欧洲电力/德勤的一份报告，到2030年，欧洲可能有5000万至7000万辆电动汽车，需要数百万个双向或其他方式的新充电点。需要对配电网进行数千亿欧元的投资来支持这些新站点。 就在埃伦伯格和我坐在市政厅里谈论乌得勒支的充电站规划算法的前一天早上，乌克兰爆发了战争。现在的能源价格已使许多家庭濒临崩溃。在美国的一些地方，汽油价格已经达到每加仑6美元。6月中旬，德国一辆普通大众高尔夫的司机需支付约100欧元才能加满油箱。4月1日，英国的公用事业账单平均上涨了50%以上。 战争颠覆了欧洲大陆和世界各地的能源政策，将人们的注意力集中在了能源独立和安全上，并加强了已在实施的政策，如在市中心建立零排放区和用电动汽车取代传统汽车。
人们通常不清楚如何才能以最佳方式实现所需的变化，但建模可以提供帮助。 正在乌得勒支大学Wilfried van Sark光伏集成实验室攻读博士学位的尼科•布林克尔专注于地方建模。根据他的计算，在乌得勒支及其周边地区，低压电网的强化成本大约为每台变压器1.7万欧元，更换电缆的每公里成本约为10万欧元。
“如果我们要转向纯电力系统，如果要增加大量风能、太阳能、热泵、电动汽车……，”他的声音逐渐减弱，“我们的电网不是为此而设计的。” 不过，电力基础设施必须跟上。布林克尔的一项研究表明，如果很大一部分电动汽车充电站是双向的，那么这些成本就能够以更易于管理的方式进行分摊。“理想情况下，我认为所有新充电器最好都是双向的。”他说，“额外成本没有那么高。” 伯格不需要令人信服。他一直在思考双向充电能为整个荷兰带来什么。他估计，在一个拥有800万辆汽车的国家，150万辆具有双向充电能力的电动汽车将平衡国家电网。“那么，你就可以用可再生能源做任何事情。”他说。 鉴于他所在的国家最初只有几百辆能够双向充电的汽车，150万是一个大数目。但终有一天，荷兰人可能真的会实现。
作者：Michael Dumiak