EV Charging for All︱一贴集齐美国电动汽车与电网协同研究
美国电力系统是否足以应对大规模电动汽车的普及
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原文/ Herman K. Trabish
翻译/ 鲁雨萌 王婧喆
编辑/众山小 校核/鲁雨萌
文献/张明辉 排版/众山小
As Tesla, Ford and others invest billions in EVs, will the power system be ready?
团队导读
全球碳中和的大环境下，美国交通运输业也在整体向清洁电能转型，拜登政府推出多项政策鼓励ZEV（零排放汽车）的推广和销售，多家汽车制造商也消耗数十亿美元潜心研究，这些都使得美国电动汽车的销量在逐步提升。虽然现在ZEV的保有量还没能达到白宫政府的预期目标，但充电站的大额投资，电气化的高昂成本，不停增长的电力需求及峰值负荷，对电网的使用造成极大的压力。同时交通电气化会提高投资成本，进而造成电价的升高，除了成本问题外，为了使充电设施管理更有效，相关部门还要在费率设计、技术和管理政策等多方面继续研究，以实现ZEV与电网的协调发展。
★距实现白宫新制定的零排放汽车目标，即至2030年ZEV车辆的销售占比新车总销量的50%，我们还有很长的路要走。时间紧迫的同时，我们还将面临巨大挑战。
——Herman K. Trabish
2021 年 11 月 3 日
充电设施运营服务商、汽车行业分析师等均表示，交通运输业是美国最大的碳排放源，向清洁电能转型是当务之急，但这并非易事。
拜登总统8月5日的行政命令要求：到2030年，美国的新车年销量中，零排放汽车（ZEV）占比将达到50%。但美国运输统计局的数据显示，美国在2020年1450万辆的新车销量中（参考文献1，请后台留言联系我们索取），只有约30.6万辆（2.1%）是零排放汽车（参考文献2，请后台留言联系我们索取），在美国道路上注册的近2.9亿辆汽车中，只有约200万辆是电动汽车（见下图）。
然而，智能电力联盟（SEPA）电气化负责人Garrett Fitzgerald说，最新数据显示，新的零排放汽车（ZEV）销量从2020年上半年的1.5%增长到了2021年上半年的2.5%，在2021年第二季度新车销量中占比3.6%，“ZEV的指数型增长”已经开始。
密歇根州公共服务委员会专员Tremaine Phillips介绍说：“在福特（Ford）、通用汽车（GM）和Stellantis集团联合计划中，总共涉及超过50款零排放汽车（ZEV）新车型。他们发现，如果不投放这些车型，他们的市场份额将会大打折扣。这些汽车制造商已为电气化转型潜心研究了数十年，消耗了数十亿美元，这是在告诉我们，零排放汽车（ZEV）的时代已经到来。”
汽车制造商、分析师和充电设备供应商表示：“汽车制造商和充电设备供应商的私营部门投资，以及那些批准税收抵免的公用事业投资州政策，已经为交通电气化转型提供了种子资金。此外，他们现在还得到白宫的支持，可能很快就会从联邦基础设施立法中获得资助。”
他们还表示，“尽管这些推动力可能会使道路上电动汽车的数量增加，但是电力系统供应商及其监管机构仍需面对前所未有的电力需求挑战。”
援 助 政 策
拜登政府的零排放汽车（ZEV）新目标和其他政策，如基础设施法案条款，以及更为严格的燃油效率标准，都强烈体现出了白宫对于交通运输向电气化过渡的支持。
在主要汽车制造商和劳工团体的配合下，政府希望在全国范围内建立一个充电站网络，并通过激励措施，拉动零排放汽车（ZEV）及充电设备的销售。
智能电力联盟（SEPA）的Fitzgerald说，加州的ZEV使用率领跑美国其他州，达10.4%（见下图），这是因为其“强有力的财政和非财政政策”，如折扣、委任、低碳和其他排放标准。他补充说，有类似政策的州正在向更高ZEV使用率的方向发展，但想要实现拜登政府的目标，“需要各级政府和市场的大力协调与推动”。
福特（Ford）汽车公司总裁兼首席执行官James Farley Jr.，在哥伦比亚大学9月23日的一场网络研讨会上表示（https://www.youtube.com/watch?v=k_KW-nnGkpg），福特公司正努力研发，并计划于2022年将电池电动版本的F-150皮卡推向市场。
Farley介绍，福特已经接到了15万份订单，但同时也存在供应链和劳动力方面的问题，这一车辆电动化的转变将是艰难的。随即他补充说，F-150作为美国最畅销的车型，可以将交通运输电气化推向主流方向。
联邦立法中的条款将成为关键。
根据阿特拉斯（Atlas）EV中心的数据（https://www.atlasevhub.com/），即将出台的1.2万亿美元基础设施投资和就业法案（HR 3684）（参考文献3，请后台留言联系我们索取）,提供了307亿美元的电动汽车融资。这其中包括用于ZEV的77亿美元资金，用于其他“清洁能源”车辆的127亿美元，及用于电池制造、回收和电力系统基础设施建设的103亿美元资金。
此外，拨款还将应用于充电系统、零排放燃料基础设施建设，包括在学校部署可再生能源发电系统，提高其发电效率，以及用于先进汽车的制造与创新。
该法案中提议并资助的项目将研究电气化对于电网的影响，以及对于美国以外地区关键矿产开采的影响。通过研究，人们可以确定各供应商之间协调操作的最优充电站标准，并确定将中、重型车辆推向电气化的策略。
但基础设施法案并不是国会目前唯一正在审议、后期可能向清洁交通行业注入数十亿美元的法案。
据Atlas的报道，众议院更为雄心勃勃的《重建更好法案》条款与基础设施法案中的类似（参考文献4，请后台留言联系我们索取），但这一法案中涉及到的资金金额更高。它还包括继续为购买全电动和插电式混合动力汽车提供7500美元的联邦税收抵免，并允许买家在购买车辆时就获得抵免，而不是等待联邦纳税申报后的退税。依据车辆国产和组装成分的资格认证，这份税收抵免津贴额度最高可达12500美元。
利益相关者们普遍对于HR 3684法案感到满意，尽管还有许多人希望看到众议院法案取消目前的税收抵免上限，即每个制造商仅可以在其销售的前20万辆汽车使用该税收抵免额度。
2021年9月，爱迪生国际（EI）白皮书呼吁国会制定与联邦法案条款类似的政策（参考文献5，请后台留言联系我们索取），包括提高国家零排放汽车（ZEV）的使用目标、加大基础设施投资以及扩大税收抵免额度。
而在Exelon电力公司给其电网覆盖区域内众议院代表的一封信中，Exelon电力公司特别提到了对参议院基础设施法案的支持，要求他们投票支持该法案。Exelon Utilities公用事业监督副总裁Denise Galambos说：“该法案提供的基础设施资金对于公用事业来说是巨大的。”
前华盛顿公用事业专员、交通运输电气化联盟（ATE）执行董事Phil Jones说：“这是两项雄心勃勃，且十分为我们所需的法案提案。但这些投资只相当于美国在世界市场上竞争所需数十亿美元的首期款。”
然而，在新的联邦政策举措被考虑之前，客户需求和私营部门投资就已经开始推进交通运输向电气化的过渡。
图1
美国电动汽车销售情况
数据源自美国运输统计局检索（2021）
#2
突破障碍
公用事业试点专员Phillips说：“密西根州公共服务委员会2017年的‘电动汽车发展障碍报告’（参考文献6，请后台留言联系我们索取）中确定了25个影响交通电气化发展的重大障碍，但其中许多正在逐步解决。”
北卡罗来纳州清洁能源技术中心高级政策项目主任Autumn Proudlove认为，在ZEV发展较为领先的州，有类似研究表明，这些“障碍”正在被消除，而还有些州虽然在ZEV发展上略有落后，但他们并没有主动停止使用电动汽车。
9月19日的绿色汽车市场评估报告显示，目前共有8款，来自汽车制造商福特（Ford）、卢西德（Lucid）、里维安（Rivian）和特斯拉（Tesla）的ZEV车型，单次充电续航里程可达300英里以上。
落基山研究所（RMI）无碳出行全球项目（参考文献7，请后台留言联系我们索取）董事总经理Britta Gross表示：“排名前八个州的ZEV正在以两倍甚至三倍的速度增长，私人投资将紧随其后，以避免错失发展良机。”
汽车创新联盟（The Alliance for Automotive Innovation），2021年4月的一份宣传报告强化了私营部门对此发展的乐观态度（参考文献8，请后台留言联系我们索取）。该报告指出，汽车制造商们计划于2025年实现3300亿美金的电气化投资目标。同时，该联盟的网站称，他们所代表的制造商可覆盖近99%的美国汽车和轻型卡车销量。
爱迪生电气研究所（EEI）电力运输部主任Kellen Schefter警告说，这一发展态势是好的，但要取得成功，还需一套“生态系统”。
由汽车制造商、充电设备供应商、公用事业部门和纳税人权益倡导者组成的联盟，正在为构建发展上述“生态系统”做出努力，Proudlove和其他利益相关者回应道。同时，他们正在加快客户教育工作，并就ZEV注册费达成协议（参考文献9，请后台留言联系我们索取），扩大中、重型ZEV使用的试点范围(https://rmi.org/our-work/mobility/)。
他们还表示，纳税人的资金已经开始支持充电基础设施的部署，州委员会也越来越意识到自己所代表的机遇。
图2
电动汽车的市场占比。
数据来自美国运输统计局检索（2021）。
到了增加充电设施的时候了
根据国际清洁交通委员会（ICCT）2021年7月的分析（参考文献10，请后台留言联系我们索取），截至2030年，美国零排放汽车（ZEV）保有量将达2600万辆，其中ZEV新销量预计为590万辆，仅占所有新车销量的36%。
ICCT估计，为满足2030年零排放汽车（ZEV）的充电需求，美国公共及工作场所充电设备需要从2020年的约21.6万个增加到240万个。
而2020年6月Brattle Group的一项研究显示（参考文献11，请后台留言联系我们索取），仅2000万的ZEV保有量就会增加电力需求和峰值负荷，这将需要至少750亿美元的电力系统投资。Brattle研究的合著者兼集团负责人Sanem Sergici还表示，拜登政府更具雄心的目标将大大增加这一投资成本。
电气化初创风险投资公司Energy Transition Ventures（能源转型风险投资公司）合伙人兼联合创始人Craig Lawrence则认为，公共充电设施部署的成本可能会降低，因为人们会意识到“晚上在家或停车时充电比去加油站更方便”。这将增加客户自有家用充电设备的使用，并减少公共充电装置部署在公用事业支出方面的直接需求。
ICCT估计，基础设施法案（HR 3684）将促进公共充电基础设施的部署，但其从2021年到2030年的总成本可能高达280亿美元。而这只相当于满足ZEV占2030年新车销量36%时的充电需求，更不用提拜登政府新增ZEV占比50%的目标。
EV Connect能源与公用事业高级副总裁Ram Ambatipudi表示：“电动汽车的采纳普及绝对是在朝着正确的方向发展”，但这就使“更多充电站的投资显得至关重要。”
图3
截至2030年美国所需的充电设施
按种类分布（图由ICCT授权）
#4
无关成本多少
许多人想知道，由不同纳税人、民营汽车制造商和充电服务提供商来分担的交通电气化成本能到达多少。一些ZEV倡导者则表示，这本是一个错误的问题。
他们认为正确的发问应该是，过渡到零排放交通的收益是否会超过成本。
他们说，长远来看，拥有一辆电动汽车比拥有一辆汽油动力汽车便宜，这表明交通电气化转型有助于降低司机的成本。
交通运输电气化联盟（ATE）的Jones和智能电力联盟（SEPA）的Fitzgerald估计，根据电力和汽油价格计算，对于司机而言，与普通汽油动力车辆相比，电动汽车在燃料和维护方面每年可节省出的成本高达1600美元。
福特（Ford）的Farley表示，这只是一个开始。他说，如果技术允许并且可以获得补贴，ZEV还可以提供电网服务以降低电力系统和所有者成本。Ford正在营销其全电动F-150汽车，它能够在系统供电中断期间提供家庭备用电源。
利益相关者承认，向能够支持交通电气化的系统过渡会产生花销。风险投资人Lawrence介绍，这些成本增项包括：配电系统升级，分布式资源投资（以减少负载），或者充电系统管理（以转移负载）。ATE的Jones对交通电气化额外成本的产生表示认同，“没有一项是免费的，这意味着向电气化转型可能会提高电价”。
当更多的电动汽车选择在远离用电高峰的时段充电，应对用电高峰的配电系统设施以及高峰发电的需求就会相应减少，从而可以降低供电成本。
--Erica Bowman
南加州爱迪生电力公司
资源与环境规划总监
Southern California Edison，SCE
根据2018年SCE有关其在电网覆盖区域内，充分部署充电设施的第二阶段申请（参考文献12，请后台留言联系我们索取），我们可以了解ZEV充电通过高负载“对费率施加下行压力”的作用机理。首先，随着售电量（千瓦时数）的攀升，每位客户在供电设施固定成本中的占比会降低。其次，ZEV用电负载是灵活机动的，也就是说，价格信号可以使其避开成本高昂的用电需求高峰时段。
“当更多的电动汽车选择在远离用电高峰的时段充电，应对用电高峰的配电系统设施以及高峰发电的需求就会相应减少，从而可以降低供电成本”，SCE资源与环境规划与战略总监 Erica Bowman说道。
但Erica等人也承认，提升公用设施的充电经营管理能力，其成本可能会在短期内使费率升高。
Brattle Group的Sergici表示，负担能力正引起公用设施和监管机构的关注。她认为，“监管机构对充电设施投资踩刹车是目光短浅的。拜登政府和汽车制造商正在发出应该让充电设施运营公司有信心进行投资的明确信号。但是如果有一家公司犹豫，整个计划就会崩盘”。
爱迪生电气研究所（EEI）的Schefter介绍，州公用事业委员会已经批准了30 亿美元的公用充电设施部署经费，公用事业的角色“绝对至关重要”。但纳税人在充电设备的投资“应该与其他投资一同发挥杠杆作用”。
尽管一些公用事业部门会自行建造充电装置，但其与私营公司的合作伙伴关系是充电设施部署的“最佳实践”，智能电力联盟（SEPA）最近的一份文件总结道（参考文献13，请后台留言联系我们索取）。Exelon电力公司的Galambos表示，Exelon“愿意使用任一监管模式，但我们需要时间来证明哪种模式最行之有效”。
“除了成本问题之外，有效的充电设施管理还需要在费率设计、技术和政策研究方面做足功课”，Strategen咨询高级总监、车辆电网一体化委员会(https://www.vgicouncil.org/)政策顾问 Edward Burgess告诉Utility Dive记者。
交通运输电气化联盟（ATE）的Jones介绍说，“分时（TOU）电价是一种生硬的费率定价工具。如果每个人都在费率变化的那一时刻开始充电，就可能会造成意想不到的需求激增”。“而基于软件的先进充电管理解决方案可以实现错峰充电，但它价格高昂，因此最佳定价方案尚未确定”，Jones补充道。
Jones还表示，大型车队和中、重型ZEV负载的费率设计将与轻型ZEV不同（参考文献14，请后台留言联系我们索取），因为各企业已经通过TOU费率来管理电力成本。而公用事业部门正在测试，当充电服务的使用量达到需量电费具有成本效益水平前，“增加每千瓦时计费，同时降低需量电费”的过渡性需量电费减免策略（参考文献15，请后台留言联系我们索取）。
图4
2021-2030年美国所需充电设施投资额
按充电设施种类分布（图由ICCT授权）
把企业生命押在ZEV上
奥迪（Audi）美国政府事务及可持续发展主任Spencer Reeder认为，诸多不确定因素正推动着交通运输业的电气化转型，尽管对迈进新世界的大门感到焦虑，但我们是会进化的。
密歇根州专员Phillips承认，为满足零排放汽车电力需求、应对用电负载的攀升，汽车制造商的承诺给政策制定者和监管机构带来了电力系统准备方面的压力。
通用汽车（GM）“就把企业生命押在了零排放上，如果下错注，我们就要面临破产的命运，政府这次不会对我们伸出援手”，GM自动驾驶与电动汽车商业及工业化技术研究员Rob Kleinbaum，在2021能源思想领袖峰会（Energy Thought Summit 2021）于9月21日的一场网络研讨会中表示，“这是一个崭新的世界，我们得边走边学”。
全文终
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#参考资料#
1、《新型及二手客车、轻型卡车的销售和租赁情况》
2、《混合动力、插电式混合动力和电动汽车销售情况》
3、《基础设施投资和就业法案（H.R.3684） - EV相关条款摘要》
4、《2022财年预算决议与协调:我们将如何重建得更好》
5、《注意差距 - 加州为实现2030减排目标的现阶段政策》
6、《密歇根州电网新技术和商业模式工作组报告:电动汽车》
7、《电动汽车全民充电: 网约电动车，如何刺激对更公平的电动汽车充电网络的投资》
8、《未来是属于电动汽车的：让我们一起驶向未来》
9、《替代燃料汽车对北卡罗来纳州运输收入的潜在影响》
10、《充电美国:到2030年，美国日益增长的充电基础设施需求评估》
11、《2030年达到2000万辆电动汽车:为EV未来做准备的电力行业机遇》
12、《南加州爱迪生公司充电设施部署第2阶段及市场教育计划申请准备证词》
13、《公用事业电动汽车基础设施部署的最佳实践》
14、《中重型零排放汽车多州MOU》
15、《交通运输电气化联盟-公用事业监管的电力输送费率设计原则》
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