协调电气化交通和电力生态系统

作者:罗恩Chebra和罗斯Malme

未来二十年，北美交通运输业的电气化将导致两者的转变。这些变化的规模将是自工业革命或互联网发明以来市场从未见过的。内燃机(ICE)有着丰富的创新和发明历史，可以追溯到160多年前。Etienne Lenoir开发了第一个商业上成功的安装在汽车上的燃气液体燃料发动机。它是由一种松节油衍生物驱动的。如今，每年大约有1万亿美元花费在以碳氢化合物为基础的汽车上。相比之下，美国每年出售的电力零售价值略低于4000亿美元(不考虑失控的能源成本和通货膨胀)。这预示着两个关键的全球市场板块的巨大碰撞:交通和电力。

电动汽车行业电气化的要求和激励措施正在积极地将汽车制造商的重点转移到电动汽车的供应链、生产、部署和支持上。

在接下来的十几年里，以前用于内燃机汽车、燃料和基础设施的资金将转向电动汽车。包括通用汽车(General Motors)和大众汽车集团(Volkswagen Group)在内的几家最大的汽车原始设备制造商已经承诺，他们将在确定的日期内不再生产内燃机，并完全致力于全电动汽车的未来。福特表示，预计到2030年，其全球汽车销量的40%将是纯电动汽车。在北美，福特野马Mach-E已经取得了近6600辆的早期销售成功。此外，全电动福特Transit将于今年晚些时候上市销售，而最近推出的全电动F-150已经获得了7万份预订。福特计划到2023年底，全球电动汽车的运行率达到60万辆。福特已经采购了70%的电池容量，以支持到2026年200万辆以上的电动汽车全球年运行率;计划2026年在美国本地化年产40吉瓦时的磷酸铁锂产能［1］

这些汽车公司正在从运输制造公司转变为世界上最大、最强大的能源公司。就像苹果认识到通信网络能够释放出比语音和文本服务更大的价值一样;他们成功地利用数据服务主导了个人计算和应用行业。汽车公司可以很容易地主导合并后的电气化运输和电力行业。

事实上，彭博社最近指出，在美国销售的新车中，超过5%是电动汽车，如果美国像其他国家一样，5%将成为新技术采用的经典S曲线的转折点。

今天，交通运输业和电力行业就像两个独立的生态系统。成熟的液体燃料行业拥有完善的供应链，包括勘探、生产、市场、提炼、分销和零售，在很大程度上，主导企业控制着加油站的价格。同样，燃料供应、发电、输电、配电和零售的电力供应链也很完善，在美国拥有超过3000家配电实体和100多家美国能源部合格的能源服务公司(ESCO)，提供不同水平的产品和服务。[2]

不可避免地，这两个生态系统将需要迅速迁移成一个协调的生态系统。这不仅需要确保足够的容量和基础设施为车辆充电提供能源，而且还需要更复杂的车辆到电网(V2G)用例，其中车辆被用作移动电池。通过向电网本身提供资源，这种能力将成为最重要的并网分布式能源(DER)资产之一。除了双向电子流之外，进出车辆的数据将用于驱动无数的网格管理和优化用例，并推动消费者价值。

图1利用生态系统融合释放价值主张。来源:Kitu Systems, Inc。

使传统的发电和配电挑战以及电动汽车的移动性进一步复杂化的是地理因素。电动汽车的大规模普及将需要必要的、可访问的和无处不在的充电基础设施，不仅在司机居住的地方，而且在他们工作和购物的地方。这些站点可能会有自己的一套能源服务选址挑战。

为了说明电气化运输和电力系统需要合并的其中一个用例，考虑一下今年5月10日在ERCOT发生的事情。这是德克萨斯州非常炎热的一天，今年夏天的大部分时间都是如此。ERCOT的发电和输电资源承受着压力，负荷峰值约为7万兆瓦。ERCOT采用节点定价，这意味着它将传输拥塞纳入其定价模型。请看下图，这是5月10日ERCOT的价格热图。就在休斯顿西南部，批发市场价格为- 7000美元/兆瓦时，因为有一个必须运行的热电联产工厂，这使得当地电价大幅下降。在大约80英里外的一个严重拥堵的节点，同时价格为+ 7000美元/兆瓦时，波动幅度为14000美元/兆瓦时!

来源:ERCOT

图2:德州定价热图

这清楚地表明，不仅要知道何时为车轮上的电池充电，而且在不久的将来，当V2G实施时，还要知道在哪里为移动能源充电或放电到电网。

就在最近的7月，德克萨斯州电网承受着更大的压力，峰值负荷接近8万兆瓦。所有可用的需求响应资源都被调用了，包括ERCOT要求住宅用户打开恒温器，埃隆·马斯克甚至呼吁德克萨斯州的特斯拉车主在白天停止充电，以避免电网故障[3]。这些反动的临时措施表明，这两个相互冲突的行业之间缺乏可见性、可预测性和相互联系。

为了双方的利益，这些生态系统现在必须合并。今天，美国的许多地区根本没有装备来支持电气化运输行业带来的额外负荷。在ERCOT完全停电的严重程度，肯定是灾难性的经济和生命损失，将在全球范围内产生后果。

目前正在大力努力将这两个生态系统结合在一起。就像苹果一样，苹果凭借其生态系统创造了超过2.6万亿美元的市值，要成为这个合并的交通/能源生态系统的领导者，要么会有一场“大逃杀”。这个新合并生态系统的领导者将为客户提供连贯的能源服务，支持他们所有的联网设备，最重要的是他们的车轮电池。这些资产将知道它们在电网中的位置、它们的消费价格以及电力使用的最佳性能计划。目前，正如ERCOT等紧张的能源市场所证明的那样，支持这种转变所需的实体面临着过多的协议，导致了众所周知的“巴别塔”，必须为每个用例管理超过5个不同的点对点标准，这种复杂性将扼杀可扩展性和创新，同时也增加了需要实施网络安全措施以确保在该企业中获得充分保护的表面数量。

EVSE设备制造商、零售商、服务提供商、聚合商和监管机构只是在新的电动汽车生态圈中发挥越来越大作用的一些额外参与者。考虑一下，例如，今天很少有汽车经销商在销售结束过程中主动联系其电动汽车客户的配电公用事业公司，告知他们的公用事业公司有关新负载或确定是否有足够的托管能力来支持车辆到电网服务。

电动汽车的影响必然需要新的业务流程、利益相关者的互动和依赖关系，并需要一个通用的数据采集、信息传播和网络保障系统。

基图系统有限公司(www.kitu.io)，在仪表生成和资源聚合方面的领导者，已经证明它可以提供一个单一的通信层，在这个通信层上可以构建这些端到端服务。基于使用行业公认和采用的标准，这些标准是许多分布式能源(DER)计划的核心，这些计划已在加利福尼亚州(例如，规则21)和夏威夷(例如，规则14H)实施，他们的生态系统协调平台认识到集成，协调和网络保障的价值。

显然，以碎片化的、无效的方式使用和依赖有限的协议，以及点对点解决方案的多样性网络，并不是实现这一目标的方法。遵循这条道路是一种非结构化的方法，最终将阻碍这些行业协调一致所需的进展，并使它们能够准备好实现国家的电气化目标。这就是为什么像Kitu Systems这样的统一平台不仅在现在，而且在未来都是有意义的。Kitu展示的愿景和进步证明，通过协调这些生态系统和工具来满足利益相关者的需求，可以取得成功。随着越来越多的汽车和能源行业以外的利益相关者参与到这一转型中来，这一点将更加明显。