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The EV Transition Is a Challenging Journey, but State PUCs Are Taking the First Steps

RAP’s recent publication, Taking First Steps: Insights for State Utility Commissions Preparing for Electric Transportation starts with the observation that “while no one state agency has clear responsibility for it, utility commissions are taking their first steps toward understanding and developing the electric transportation sector in their state.” Several readers have told me that they…

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Three New EV Resources from RAP

The market for electric vehicles — from cars to buses to delivery vans — continues to expand around the world, and the pace of innovation is accelerating. While current public health and economic challenges may pose a temporary roadblock, it seems clear that the long-term future of the transportation sector lies in electrification. In the…

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21世纪电力系统的灵活性

简介 电力系统最基本的规则是发输用电必须同时完成。多年来,电网运营商一直在确定系统的负荷,并通过增加可用的发电机来满足需求、调整供电。 然而,现在供应侧出现了快速爬坡和高度灵活的联合循环燃气轮机发电等新技术,需求侧也出现了智能热水器和储能等新技术,另外,输电能力和系统运行也得到了改善。这些新技术共同创造了巨大的机会,使电力系统比以往更加灵活。 同时,随着可再生能源(主要是风能和太阳能)并网的比例逐步提高,灵活性在电力系统中的重要性更加突出。 本文着眼于当今可用的各种灵活性资源,并在大量可再生能源电力系统背景下,探讨各种灵活性资源的潜力,以及它们如何共同作用,使电力系统更具经济性、可靠性且富有弹性。 灵活性来自供应侧和需求侧 在过去的几年中,风电和太阳能发电等关键技术的成本已大幅下降,装机速度显著提高。电池储能成本也在持续下降,电动汽车的成本得以降低。 清洁能源成本低,对经济和环境都是好消息。但是,新增可再生能源装机会增加对电网系统灵活性的需求。 这种巨大的灵活性需求使得“反调度”成为可能,即调度负荷以充分消纳可再生能源发电量。我们将分别介绍这些灵活性资源。 一是供应侧的灵活性资源。增加资源和地域的多样性可以充分利用供应侧的灵活性资源。 可再生资源不仅比现有发电资源组合成本更低,而且多样化的可再生能源组合,还提高了电力系统的灵活性。 以德州为例,其风电资源(两个地区)和太阳能发电具有不同但互补的出力曲线。这些资源结合起来,可以产生更平滑的曲线,更接近于系统需求。多样化的可再生资源和扩大平衡范围可以相互补充,从而使系统需求趋于平衡并减少对灵活性发电资源的需求。 美国西部能源不平衡市场(EIM)运行的很成功,说明了扩大市场的规模可以更好地利用可再生能源多样性。EIM是Western Interconnection中的实时平衡市场,具有较大的地理覆盖范围,成员间共享灵活性资源,所以每个成员所需的备用容量都下降了。 但是,更大的市场也可能产生大规模的额外成本,要减少这些成本,又需要更大的电网灵活性。许多大型电力批发市场如新英格兰ISO,电网是为高峰负荷而设计的,“将所有电网基础设施的规模调整到最高峰值的结果是系统效率低下,从2013年到2015年,新英格兰平均每年最高电价时段的用电量仅占全部用电量的1%,电费却占8%,而最高负荷时段的用电量10%则占其年度电费的40%(超过30亿美元) 。 建立发电,输电和配电以及相关的天然气管网,却每年仅服务几个系统高峰时段,这是一种昂贵的经营模式,而新技术和其他方法可提供操作灵活性,减少峰荷时间并提供备用容量。只要制定了正确的规则,还是有一些方法可以替代高成本峰荷电力并减轻系统压力。比如电池储能,或抽水蓄能机组利用峰谷差价来赢利。 二是需求侧灵活性,通过对需求侧进行调控来提供灵活性。 随着技术进步,电力调度不再是为了满足不受控制的需求而供应,而是允许管理需求侧以满足可用的供应。 需求响应(DR)并不是什么新鲜事物,但是传统的需求响应程序只专注于在电网压力期间降低负荷。劳伦斯·伯克利国家实验室(LBNL)在介绍DR现在可以提供的各种服务时,采用了一系列比喻来说明了如何利用DR来塑形,移动,甩负荷和摇摆。 塑形:通常引用的加州ISO“鸭形曲线”正说明了利用实时电价塑造负荷的现成机会。 移荷:负荷侧资源还可以将需求转移到一天中更有利的时间,例如,当有多余的可再生能源可用且能源价格较低时。负荷侧资源还可以帮助将需求从更昂贵的时间转移到电价非常低的时段,从而有助于避免对可再生能源的限电。 通过安装开关、无线电控件和智能恒温器,建筑物将变成储热电池:对建筑物的暖气和热水供应进行预冷却或预热。 电动汽车的充电和储能的使用(无论是将来的负荷还是将来的供应)都可以通过类似的方式进行管理。 甩负荷:需求方灵活性还包括甩负荷或压负荷。需求侧响应的传统定义就是甩负荷。适用的技术包括智能照明,可中断的工业过程,空调以及储能等。图14(见原文链接)说明了减少负荷如何减少系统峰值,避免成本以及通常避免调度发电资源。与图10相似,图14显示,2016年罗德岛州居民的电费帐单中,9%电费用于其满足1%的用电量, 26%电量用于支付其中10%的用电量。考虑到如此高昂的成本仅需几个小时,甩负荷策略可以通过减少这几个关键小时的负荷来显着降低整个系统的成本。还减少了峰荷发电厂的排放。 摇摆:用作响应的负荷也可以来回“摇摆”,以满足短期电网需求。这可以帮助应对系统的短期斜坡和干扰。比如,电动汽车充电是可以提供摇摆服务的技术,因为它可以一次全部完成,也可以根据需要进行充电和断开。 需求方可以提供各种各样的灵活性服务,从长达数年和数天的最长时间范围进行塑形,下降到几分钟甚至几秒钟的时间范围进行摇摆。 优化灵活性的方法 我们可以考虑几种类型的工具来优化灵活性:零售定价和对价格敏感的需求,可控的负荷以及开放的规划和市场流程。 零售电价 公用事业公司迅速发现,电量电费是一种不稳定的收入形式,客户可能会寻求替代方案来节省电费。电量电费只考虑了客户在当月的最高电量,而没有考虑该电量是否与系统高峰相重合。因此,电量电费只是客户对系统容量成本贡献的一个估算,支付相同电量电费的不同客户,其用电模式差或许别很大,但电量电费却反映不出来。此外,对低电量用户和公寓居民的影响也是不成比例的。实行分时电价设计可以更公平地分摊成本,使电费账单更具可预测性,客户更容易理解。 一些公用事业追求更智能的电费设计,正在从电量电价转向实时电价(TOU),比如科罗拉多州柯林斯堡的市政公用事业公司最近采用了美国最佳设计的住宅电价。他们将所有住宅客户采取实时电价政策,首先,仅用于回收成本的低用电量客户费用。其次是,极低的低谷期电价。第三,高峰时段的电价是非高峰时段电价的三倍。最后,对于每月用电量在700 kWh以上的所有用户实行的“阶梯电价”,可实现之前的节能效果。 受控负荷 终端电气化是集成更高比例可再生能源的有效且低成本的方式。如在建筑中采用热泵和冰储能,以及智能恒温器,可实现对负荷的控制。 规划和市场流程 为电力系统增加灵活性的第三类工具是规划和市场流程。例如,监管机构可以支持受益于太阳能,风电和储能市场采购的计划。 以及,监管机构可以要求电力批发市场向聚合的分布式能源资源和储能开放。加州ISO于2014年发起了电力储能和分布式能源(ESDER)计划,针对接入ISO的和接入配电网的资源,旨在提高它们参与ISO市场的能力。 ESDER计划已进行到第三阶段,并于2018年完成,有待FERC批准。它提供了一种竞价机制,该机制允许聚合的表后资源提供服务。 监管机构还可以在化石燃烧电厂退役时,批准先进的技术替代方案,以包括能效,需求响应和光伏分布式发电,储能,变电站升级和线路重新定价的组合,来避免新建输电线路和大型发电厂。 需求侧解决方案也可以用于管理季节性负荷。在这种情况下,批发市场规则至关重要。 监管机构设计电价时,要反映地区,公用事业,区域,节点甚至电路级别的电网管理需求。电力市场设计者和利益相关方需要开发不同规模的市场,这些市场将奖励创新的解决方案,以提供能源并有效地使用输配电线路。监管机构和政策制定者可以设计市场和公用事业响应,以非歧视的方式利用先进技术,并可以利用创新来降低消费者成本并提高可靠性和系统弹性。 结论 本文旨在说明如何使电网更加灵活,从而使其能够容纳更多的可再生能源。灵活的发电,输电功能,系统操作和可管理的需求方资源都可以有助于我们已经描述的系统灵活性。这是监管机构提供政策指导以帮助实现更加灵活的电网的机会。 原文链接

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A Trans-Atlantic Take on Building Efficiency: Lessons from Germany and New England

Despite being an ocean apart, Germany and New England are similar in many respects. More than 75% of energy used for residential heat in both places relies on natural gas or heating oil. And both have adopted ambitious energy and climate goals — Germany committing to cutting carbon emissions from buildings by two-thirds below 1990…

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共益电气化:交通(下)

实施共益电气化交通 本节列出了确保交通电气化有益的一些考虑因素。此外,我们会提供一套与共益电气化相关的策略供各州考虑。 保障公共利益的几点思考 公平与环境正义 为了确保公平分享交通电气化的益处,各州应考虑令所有消费者都可以使用电气化交通的程度,无论其经济地位和所处地理位置如何,即包容性。目前很多充电基础设施是私人所有,这其中引发了一个担忧,即如果没有政策干预,包容性目标是否可以实现。各州应该认识到,公共政策和决策过程中的公平问题将确保更加平等地分享电气化交通的效益。各州还需要与有可能完不成目标的社区合作,识别并制定实现包容性目标的解决方案。 政策制定者需要考虑环境公平,确保任何集团都不会因交通电气化而对环境造成不成比例的负面影响。尽管电动汽车使用率的增长有可能在整个经济中发挥作用,但考虑到环境正义,在制定和采用政策之前,政策制定者首先需要了解其对有可能完不成目标的社区的影响。其次,政策制定者需要确保减轻其负面影响。 土地使用管理 最广泛意义上的交通规划,即塑造城镇类型 ,超出了本文的范围。但是,电气化交通的发展是各州进行深入探讨并重新审视其政策和交通规划实践的机会,以便改善居民和货物的运输方式。否则,我们将面监电气化交通只会产生“电气拥堵”的风险。土地规划从一个简单的问题开始:我们是否会以与我们使用内燃机车辆相同的方式继续使用电动汽车? 乡村交通需求 满足乡村交通需求将是交通部门电气化的关键。乡村社区与城市的区别很大,他们的交通需求也各不相同。五分之一的美国人 – 大约六千万人 – 生活在美国乡村地区,乡村人口与65岁或以上城市人口所占的比例更高,增长更快。同样,乡村和小城镇人口(特别是老年妇女)的贫困率,高于全国平均水平。 这些数字表明,乡村居民更有可能在物理上或经济上依赖共享交通而非私人汽车。然而,对乡村交通的需求并没有消除私家电动汽车满足其出行需求的作用,这些居民因为远距离通勤、购物和就医会产生额外的出行需求,如果采用传统汽油车,需要花费更多的油费以及修理费。因此,他们对私家电动车需求更大。 通过对电动公交车和EV供电设备的大量投资可以最好地为乡村社区服务。但是,与乡村社区直接接触是各州政府确定居民实际交通需求的最佳方式。 支持共益电气化的战略 制定相关标准 早期的多数电动车车主住在带车库的独立式住宅中,而公寓居民等通常无处充电。如果没有政策干预,这种获得充电权的差距不太可能很快改变。各州正在通过“充电权”条款来应对这一挑战。如果州政府不采取行动,个人将不得不与房东或房主协会进行谈判。 为了改善现有多户公寓的电动汽车充电问题,最近的一份报告建议: 1.对公寓管理人员实行教育; 2.各州制定分层资助计划,确保有经过电动车充电评估和规划培训的专业人员; 3.制定各州资本改善(成本分摊)补助计划,通过提供经过认证的评估员来帮助业主规划和设计电动汽车充电项目。 另一方面,新建筑是更快速部署EV供电设备技术的理想机会。新建筑的建筑规范可以包括电容标准和必要的布线,以便更容易地促进将来充电设备安装。 充电设备标准 典型的EV充电设备应允许最终用户、电网运营商或负荷集成商监控EV的充电状态并控制充电。可以为具有Wi-Fi或电力公司接口的EV充电设备制定标准,使充电器能够接收电网信号,以便将其作为灵活性资源。目前尚不清楚美国能源部是否会推荐电动汽车充电设备标准,环保署会不会根据”能源之星”计划进一步阐明自愿性标准,也尚未明确。 然而,显而易见的是,具有内置控制系统的电动汽车和充电设备会提供实质性的好处。 试点项目:第一步 试点项目是监管机构和公共事业单位允许时间和其他限制条件下进行实验的一种过渡性安排。在进行全面的EV供电设备扩建或电价设计变更之前,通过电动汽车试点可以验证想法、开发能力,学习和获得经验。 政策制定者首先需要确定电动汽车试点项目是否明确阐明其有利于电气化的目标和优先事项。它会加强电网管理吗? 会创造经济效益吗? 它是否有助于满足消费者的愿望或各州减少空气污染的目标? 下一步是确保从试点获得有用的数据。监管机构可能需要熟悉规定比一般电力公司项目更广泛的报告要求,特别是在确保数据开放和访问方面。这些指标包括: 按时间段和细分市场划分的项目费用; 充电站部署; 负荷情况(司机何时开始充电,需要多久); 充电费用; 大约可减少多少排放量。 试点项目应经常报告以上这些指标,以便监管机构能够及时采取措施进行纠正。 在有时间期限的试点项目中,依赖年度指标报告毫无意义,而是需要简明扼要的报告。同样,利益相关者,公共事业单位和监管机构需要举行定期会议,以监督试点项目实施。最后,项目的灵活性很重要:政策制定者可以为正在实施电动汽车试点和机构提供一些余地,以便他们能够根据市场情况进行调整和创新。 综合规划 各州可以采取一种综合资源规划形式,以帮助预估交通电气化的潜力及其对电力系统的影响。综合资源规划是一个公共过程,允许公用事业单位、监管机构和公众参与者在商定的计划范围内(如10-20年)深入了解能源需求。准确的需求预测对于这项工作至关重要,而EV部署方案则需要成为其中的一部分。 在此过程中还应该考虑到可用资源以及需要获得的资源,以便以最低可靠成本满足预期需求。各州会考虑自身适应不同类型的电动汽车充电需求 – 尤其是需要高容量的充电器 – 首先对其现有的次输电(sub-transmission)资源(尤其是那些未充分利用的资源)进行盘点以确定其承载能力。 能效标准和项目 各州能效资源标准中使用的指标,也可作为各州评价电气化机遇的另一个例子。由于许多项目要求以节电量千瓦时(kWh)衡量节能效果,因此这些标准可能会阻碍使用额外的电气化终端用途,从而错失实现清洁交通的机会。典型的能效资源标准也可能阻碍有益的电气化,因为公共事业单位的节能义务随着售电量增加而增加。这意味着公共事业单位越鼓励电气化使用,它实现的节能量就必须越多。为此,有两种方式来解决这一问题。以一次能源使用或总能耗来衡量节能量,或从这些标准中豁免电气化电量。  “脱钩”机制 美国超过一半的州都有脱钩机制,即打破售电量和公共事业单位收入之间的联系,脱钩机制既能提高能源效率又不损害公共事业单位股东回报,但可能对电气化构成挑战。如果脱钩机制允许每个客户获得固定数量的收入,但电气化需要适度增加供电和配电基础设施中的公用事业投资,公共事业单位可能无法收回这些成本。对于狭义的投资决定来说,这是一个简单的事情,但不应该被忽视。 电价设计 随着电动汽车充电负荷增加对电网的需求,公共事业单位和监管机构有责任确保管理现有资源以优化负荷增长的需求,并确保所有用户均等地分享智能电网管理的经济效益。实现这一目标的关键方式是通过电价设计为EV客户提供明确的价格信号。 典型的美国住宅电价包括固定电费和电量电费,即按照每千瓦时收取的电费,这一费用在一天中的所有时段都是相同的。这种设计不会给EV车主提供明确的信号,调动其在电网最佳时充电。分时电价就可以达到这一目标,它可以为车主节省费用,同时实现电网效益。…

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“共益电气化:确保电气化实现公共利益”系列报告之《共益电气化:交通(上)》

执行摘要 技术进步,无论是发电效率还是终端能源效率,都为共益电气化提供了机会。交通、供暖、热水供应,就是这些机会之一。在电池成本下降和性能提升的推动下,电动汽车(EV)市场正在快速增长。自动驾驶汽车技术的开发和采用,以及对共享交通服务不断增长的需求也在塑造这一市场。 在当今不断变化的环境中,电动汽车的可用性和便利性日益增加,用户也逐渐习惯。与内燃机车辆相比,电动汽车可将其充电量的60%转换为行驶里程数,而相等情况下内燃机车辆仅能转换约20%的一次能源。由于这种高效率,电动汽车可以显著降低成本且减少污染。电动汽车充电负荷也可以作为电网的资源进行控制和管理。 为确保电动汽车惠及公众,政策制定者需要确定公众对交通市场的要求。他们还必须协调平衡市场参与者的需求与公共利益。我们鼓励公用事业委员会在各州都可以找到相应的平衡点,如果现有的法规权力不足,则应向立法机构需求帮助。 将技术与交通需求匹配 汽车技术 本文以客车和公交车为例说明共益电气化的机遇。作为代表性电动车,我们使用雪佛兰Bolt—它拥有60千瓦电池,预估行驶里程238英里,相当于119英里/加仑。我们的代表性电动公交车是Proterra 40-foot Catalyst车型,电池功率为94千瓦,行驶里程为33至52英里,相当于16.7至22.6英里/加仑。 最常见的充电基础设施形式 – 统称为EV供电设备(EVSE) – 利用插入式充电,其成本和对电网的影响因车辆充电速度而异。电动客车可以使用的充电器有三大类:120伏1级充电器;240伏的2级充电器;或者使用480伏或更高电压更高容量的直流快速充电器。更高级别的充电器可以缩短充电时间,但安装和操作成本更高,并且对电网有更高的要求。充电器成本也因位置而异。快速充电器非常适合放置在公共区域,例如高流量商业区域和主要交通通道。2级充电器 – 电压和容量比3级相对较低,但效率高于1级 – 非常适合其他用途,包括家庭充电,其中住宅2级充电器的功率仅为电动干衣机的两倍。 电动巴士可以通过称为受电弓或无线感应充电的架空充电器进行充电。与乘用车一样,电动公交车的充电速度越快成本越高,对电网的需求就越大。 最佳的电动车充电方案因选址和需求而异 为汽油和柴油动力汽车提供燃料的基础设施无处不在,我们大多数人都认为这是理所当然的。电动汽车的发展也需要让车主有同样信心,确保为他们提供足够的充电基础设施。需要针对已知和未来的充电需求进行投资,每个社区的需求也会有所不同。 在家充电比较方便,因为通常来说夜间充电可以满足车辆每日通勤的需要。实际上,在拥有车库或车棚的家中进行充电,是电动汽车早期使用者中最常见的充电类型。家庭充电可能是市场发展中最常用的电动汽车充电类型,居民经常将车停放在共用车库或街道上,而不是指定的地方,因此必须解决多单元住宅中缺少充电基础设施的问题。 在建设电力汽车充电基础设施方面,低收入和弱势社区有可能落后。除非私营市场能够充分满足当地需求,各州应鼓励受监管的公共事业单位投资于服务欠缺地区的基础设施。 如果可以在工作场所充电,人们更有可能购买EV;对于没有专门的家庭充电设施的司机来讲,工作场所可以作为主要充电点。公共充电,包括交通通道的充电,也将是基础设施领域的一个重要特征,适量的公共充电装置将因各州情况,人口密度以及城市或乡村环境而异。需要确定受监管的公共事业单位(电力公司)和私营企业能发挥最大作用,以便扩大工作场所和公共充电设施。 实现共益电气化的条件 共益电气化,需要达到以下一个或多个条件,且对另外两个条件不产生反作用: 从长期看可以为消费者省钱; 促进电网的更好管理; 减少对环境的消极影响。 在本节中,我们将了解电气化交通如何满足这些条件。我们的结论是,即使不是此刻,在未来几年中它也将会带来效益。 消费者经济学 共益电气化的第一个条件是电气化从长远来看为消费者(包括公共交通运营商)节约了费用。由于电动汽车的价格高于内燃机汽车,因此评估其总拥有成本非常重要。研究人员发现,两者之间最大的成本差异是电池。这种成本差距在缩小,并且往往可以通过降低运营成本来抵消。其他研究预计,电动汽车和内燃机汽车将在五到七年内实现总拥有成本平价。 电动公交车的经济性主要受制于其高昂的前期成本,但也可以通过降低运营成本来节省成本。在某些地区,电动公交车的总拥有成本已经低于压缩天然气公交车的成本。 影响电动公交车与化石燃料车辆的总拥有成本的其他因素,还包括年度行驶里程以及是否包括加油/气站等基础设施。 电网管理 共益电气化的第二个条件是电气化有助于管理电网。加州公用事业委员会确定了三个使车辆成为潜在电网资源的特征。他们是: 1.提供操作灵活性,因为它们提供负荷(充电时)和发电(同时将存储的能量释放回电网)的双重功能; 2.具有嵌入式通信和驱动技术,因为汽车制造商已在车辆中建立了数字控制; 和 3.容量利用率低,闲置率超过95%,只需要10%的时间充电。 车主可通过智能充电,分时电价,或二者一起,来控制电动汽车的充电负荷,这意味着可以利用低电价充电,并将对电网的不利因素和投资成本的影响最小化。也可以利用在可再生能源充足的时候充电,帮助整合消纳可再生能源并减少弃电量。 电网管理与需求响应有很多共同之处。这不仅体现在传统的需求响应意义上 – 即紧急降低负荷 – 而且在更广泛意义上,还能够在最佳时间形成、转移和减少负荷。公共事业单位认识到管理需求的价值,并可以应用于电动汽车。如果服务成本足够低,电动汽车使用率高,充电带来的收入将有可能高于服务成本,这为所有消费者节省了成本。分时电价是公共事业单位使用的主要电网管理工具。还可以使用受控充电,在需求响应的更为传统的意义上,能够在高峰需求或服务中断期间暂停充电器。 电动汽车还能够在需要时将电量释放到电网上,即“车辆到电网(V2G)”。 这种方法可以使电动汽车在电价低时充电,电价高时放电,这对车主来说是一种潜在的经济利益。各种V2G试点计划正在进行中,但尚未普及。未普及的原因是有两点影响 V2G功能开发的缺点, 一是对潜在电池劣化的担忧,二是电池制造商保修的限制。我们建议制定一种平衡策略,最大限度地提高电动车车主的投资回报率,同时需要对交易的电能量设定限制,从而使V2G可行且有利可图。 能源和排放效率 共益电气化的第三个条件是与化石燃料相比,它减少了排放等环境影响。交通部门占美国温室气体排放的很大一部分,2016年约占28%。此外,1990年至2016年间,交通运输部门二氧化碳排放量增长了21%,而电力部门的排放量同期下降了1%。事实上,在每年的电量增加了近30%的同时,今天的电力行业排放的二氧化碳量却与几十年前相同,这些趋势表明电气化运输作为整体脱碳政策的价值。整个交通行业都存在脱碳机会,但乘用车,包括轻型汽车和卡车机会最大,因其二氧化碳排放量约占交通排放量的60%。 为了确定不同技术(如电动汽车)的排放效应,分析人员必须首先确定车辆生命周期的参数。我们在本文中使用的“从油井到车轮”(well-to-wheels)分析,包括从资源提取,向车辆输送燃料,以及在车辆中使用燃料这些过程。 我们在此举例的内燃机车是2018年的大众高尔夫,据我们计算,它的“从油井到车轮”排放量为每英里0.91磅。我们举例的电动汽车是2018年的雪佛兰Bolt,它的“从油井到车轮”排放量取决于它充电用的电力系统的燃料组合。我们的计算结果表明,在100%的燃煤发电系统中,排放量每英里0.69磅。换句话说,在美国任何电力系统中充电的Bolt,其行驶每英里的排放量,都低于汽油动力的高尔夫。这与最近的研究结果一致- 在美国任何地区驾驶电动汽车产生的碳排放量低于驾驶普通新型燃气动力汽车。…

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“共益电气化:确保电气化实现公共利益”系列报告之《共益电气化:热水供应》

执行摘要 技术进步,无论是发电效率还是最终使用燃料,都为共益电气化提供了机会。热水供应就是这些机会之一。热水供应占住宅能源帐单的近20% 左右——而且简单地说,今天用电加热1加仑水所需的能源,远远少于直接用化石燃料加热。 在本文中,我们探索可用于热水供应电气化有益的策略,这意味着它将满足我们的共益电气化标准中的至少一个,且同时不会对另外两个产生不利影响: 从长期看可以为消费者省钱; 促进电网的更好管理; 减少对环境的消极影响。 我们得出结论,电热水可以为消费者节省费用,可以作为电网运营商的一种资源,并减少空气污染物的排放。 报告原文为英文(可点击下载),此文为执行摘要。 将技术与热水供应需求匹配 本文探讨了热水供应电气化的两种技术选择:电阻(ER)热水器和空气源热泵(HP)热水器。传统的电阻加热器基本上是包含一个或多个浸没式电加热元件的装备。空气源热泵热水器是带有直接连接到热泵的罐。 虽然这两种技术路线具有不同的成本和操作特性,但都可能在未来促进电气化方面占有一席之地。目前,电热水供应在美国各地分布不均匀——在东南部占主导地位,在西北地区很常见,而在中西部和新英格兰比较少。在这些地区内,各州之间以及农村和城市地区之间也存在差异。 具体哪种方案效果最佳,也取决于住房类型(单户住宅,公寓或移动式住房),提供热水供应服务的设备数量和住宅年龄等因素。例如,在每个单元具有单独的电阻热水器的公寓建筑物中,最佳选择可以是通过电网使这些单元可控。 对于带有中央热水的多单元住宅,热泵系统可以高效运行。新建筑可以为家庭提供全电气化服务的机会,包括热泵热水器,避免了延伸天然气管网的成本。 实现共益电气化的条件 消费者经济性 确定电气化是否会带来消费者经济利益,满足共益电气化的第一个条件,是受若干因素影响的具体情况计算。 这些包括: 住房类型 安装热水供应的成本(特别是高于替代品的增量成本) 运行热水器的能源成本; 和 在安装供暖和制冷的同时安装热水供应的潜在共同效益。 2018年,美国能效经济委员会(ACEEE)发布了一项研究,分析了在石油和丙烷热水器故障时更换的全生命周期成本。该研究的结论是,与石油和丙烷替代品相比,热泵热水器的成本更低。 在本文中,我们通过用热泵模型替换故障的天然气热水器来简单计算当前的消费者利益。睿博能源智库发现,热泵热水器目前的安装成本估算值比天然气热水器高出50美元至1,000美元左右。依靠固定电费,替换的简单投资回收期为1至20年。然而,在分时电价下,安装热泵模型将具有0至6年的简单投资回收期。 美国国家可再生能源实验室于2017年进行了一项研究,根据现有文献和成本数据预测了各种电气化方案。即使在最不利的情况下,在2020年,住宅热泵热水器相比天然气热水器也具有成本竞争力。 这表明热泵热水器的效率可以在相对近期内提高,它还表明住宅热泵热水器的资本成本虽然较高,但可以通过长期燃料节省来抵消。转换为受控热泵模型可望产生最高的经济回报,但受控的电阻热水器也可在易于安装的住宅类型为其产生可观的节能量。 电网管理 实现更好的电网管理是有益电气化的第二个条件。电阻和热泵热水器都可以通过控制系统并到电网中,控制系统允许最终用户,电网运营商,负荷集成商或其机构监控“充电”状态(即水温) 并控制充电。这可以实现诸如需求响应和负载转移等功能。由于电热水负荷是可控的,它可以增加电网的灵活性,并作为电网运营商的工具。尽管有这种潜力,但只有2%的电热水器目前正在参与电力公司的需求响应项目,电力公司对利用这种灵活性资源很有兴趣,而且兴趣持续增长。 电热水供应可以为解决电力公司面临的电网管理挑战做出重大贡献。 需求转移:波动性可再生能源在电网中的份额越来越大,意味着系统运营商越来越需要关注满足净负荷——预测负荷与间歇性资源满足的负荷量之间的差异。受控热水供应负荷可以从系统峰值转移到电费更便宜的时段。它也可以移动到波动性能源充足的时间。这可减少弃电并为消费者节省开支,同时仍然确保他们在需要时有热水。 辅助服务:智能电子和完善的通信正在创建一种新型响应设备,可以通过提供辅助服务来帮助电网运营商。电阻热水器特别适用于快速响应类型的控制,使其特别适合于提供电压支持和频率响应。 与屋顶光伏发电等可变能源直接合作:在美国的一些地区,安装人员开始部署光伏太阳能热水器,直流太阳能电池板与电阻热水器连接,无需中间逆变器(不必增加成本或减少交付电力)。 将这些资源与电网控制项目相协调是电力公司的一个机会,特别是在太阳能需求强劲的地区。 能源和排放效率 减少环境的负面影响是有益电气化的第三个条件。在整个经济体中持续使用化石燃料——无论使用效率如何——都无法减少温室气体排放以实现气候目标。然而,这些目标是可以通过尽可能多的提高能效,使电力部门脱碳,增加最终用途的电气化以及依靠更清洁的电网为其提供燃料来实现的。 由于电气最终用途替代化石燃料的直接燃烧,因此电气化避免了在客户使用时的排放。尽管电气化仍然会导致与发电相关的排放,但采用高效的最终用途并依赖来自清洁电源的能源通常会减少总排放量。 更高能效的电力终端用途与发电机组的清洁化相结合,创造了提高排放效率的潜力。换句话说,由于电力部门的排放量下降,尽管会消耗更多的电力,但消费者现在加热单位体积的水可以产生更少的污染。热水器的热力学效率和排放效率因技术和区域而异,并取决于它们所连接的电力公司电网的特性。 通过确定热水器的效率并考虑其能源供应的碳含量,我们可以估算加热每单位体积水所产生的排放量。如果电力系统燃煤发电超过50%,睿博能源智库可以确定的是,使用热泵会导致比化石燃料替代品更高的碳排放。然而,如果电力系统不比联合循环天然气更耗碳,则热泵比丙烷和天然气热水器的碳强度更低。当电力系统变成低碳(不超过50%的天然气碳强度/ 50%的非碳)时,所有的电气化路线都会产生与天然气和丙烷相同或更低的碳排放。美国的一些地方今天符合这一标准; 将来还会有更多。 将共益电气化用于热水供应 本文阐述了改变我们热水供应的方式将会为消费者,电网和环境效益带来的显著潜力。在最后一节中,我们将讨论鼓励更多部署电热水供应的方法。 新建筑标准 对于现有住房,转换为更高效的电气化热水供应将是一项需要大量投资的长期任务。然而,新建筑的过渡可以更快地发生。在这种情况下,热水供应系统的全部成本是递增的。在许多情况下,更有效的替代品的资本成本与传统的电加热或化石燃料水加热相比具有竞争力。应审查建筑能源法规和其他规则,以确保它们不会对电气化造成障碍。 设备标准 美国目前家用热水器的设备标准是2010年通过,并于2015年4月生效的。美国能源部和美国环保署一直在与利益相关者讨论并网热水供应的未来潜力。 目前尚不清楚能源部将如何以及何时推荐新的热水器设备标准,或环保署将如何阐明自愿能源之星标准。然而,很明显,带有内置控制系统的热水器具有很大的优势 包括Wi-Fi或其他电力公司接口以确保热水器接收电网信号将支持负载转移和需求响应,这些做法可以提高电网可靠性和电热水的经济性。 此外,存在燃料中性(fuel-neutral)设备标准的问题。在审查标准时,例如,考虑与天然气热水器标准相关的能源使用与其他类型的标准相比是值得的。换句话说,为了建立真正捕捉美国市场可获得的能效的标准,专家应该比较所有热水器的相对效率,而不仅仅是那些使用相同燃料的热水器——例如,天然气与天然气对比,或电力与电力相比。 各州能源政策 各州政策对共益电气化的发展既可以帮助作用也可能阻碍其发展,各州需要确保政策反映出与当前技术创新相关的机遇。例如,各州需要考虑能够识别电气化潜力的综合资源计划及其对电力和天然气公司未来发展的诸多影响。目前,仅电力综合资源计划可能无法充分探索系统趋势和投资的影响,尤其是它们对州内天然气公司的影响。同样,仅针对天然气的计划可能无法识别潜在的更清洁和更低成本的电气替代品,从而对消费者和环境带来不利影响。 利用新的现实来平衡电力公司基础设施投资和收购,与调整电力公司规划运营同样重要。例如,电力公司运营的不同之处在于如何支付扩展的天然气基础设施,是通过新客户支付连网费用还是作为所有纳税人承担的社会化成本。如果监管机构正在比较电气化成本与天然气基础设施持续发展的成本,那么认识到任何隐性补贴都很重要。 我们也应该回顾一下国家能效资源标准中使用的指标。这些标准要求的消耗量减少通常以千瓦时(kWh)计算。然而,虽然电气化可以减少总能源使用,但它可能会增加千瓦时的消耗。各州可以通过重新制定指标或在其标准中包括拆分电气化来解决这一冲突。例如,纽约州最近采用了全州累计年度现场节能目标,该目标在英国热量单位中划定,并将激励所有燃料中最具成本效益的效率措施。各州还可以考虑在其可再生能源配额制中纳入分类或“等级”(如佛蒙特州所做的那样),要求电力公司通过实施符合共益电气化标准的项目或活动来履行其部分配额义务。…

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“共益电气化:确保电气化实现公共利益”系列报告之《共益电气化:供暖》

执行摘要 睿博能源智库认为,有效益的电气化,或者说实现社会利益最大化的电气化,需要达到以下一个或多个条件,且对另外两个条件不产生反作用: 从长期看可以为消费者省钱; 促进电网的更好管理; 减少对环境的消极影响。 由于供暖在普通美国家庭的能耗中占据了相当大比例,因此它是共益电气化(beneficial electrification,简称BE)工作的关键。电供暖,尤其是利用新的热泵技术,通常会满足上述一个或多个条件。大多数家庭供暖目前依赖于化石燃料,例如家用燃油,丙烷和天然气。供暖的共益电气化将带来多种机遇:消费者可以通过切换到更有效的供热技术来节省总能源费用(取决于房屋类型和区域,报告正文将做详细探讨);电力公司和电网运营商可以增加宝贵的电网管理效益; 此外,还可以大幅减少温室气体排放。 本文探讨了供暖电气化的多种技术选择,考虑了它们在各种环境中的应用,列举了适用于供暖的共益电气化条件,并提供了实现这些效益的策略。报告原文为英文(可点击下载),此文为执行摘要。 供暖电气化的应用考虑 为了说明共益电气化面临的机遇,我们研究了目前可用于供暖电气化的四种基本技术选择:空气源热泵,空气源热泵联合其他热源,地源热泵和电阻加热器供暖。所有这些技术都有可能在未来电气化中占有一席之地。 空气源热泵是美国各地常用的技术。在采暖季节,他们将热量从室外传递到室内空间; 在制冷季节,则将热量从室内传递到室外。它们可以是管道式或无管道式,可以设计用于较温和的环境或较冷的气候。管道式系统依靠管道将空气均匀地移动到较大的房屋周围,因此通常安装在管道系统已经就位的地方。无管道系统需要较少的结构,并且通常具有两个主要部件:室外冷凝器和室内通过导管连接的空调箱。 地源热泵将地热移入和移出陆地浅层(在地表以下几米处,温度相对恒定)。大多数地源热泵通过水平铺设的塑料管循环液体,并依靠热交换器将地下温度转移到生活空间。 电阻加热器,已经应用了几十年,最常见的情况是装在陶瓷蓄热体中。然而,在美国,通常应用在具有低成本非高峰用电的农村地区。这些加热技术可以在电网供电的边际资源碳排放较低时,或者这些设备可以集中在非用电高峰时段的时候,提供有益的电气化,电价低于平均电价。 适当的供暖选择因地而异。随着室外温度下降和供暖需求增加,空气源热泵的加热能力和效率降低,不过新系统已经提高了在较冷气候下的效率。在较温暖的地区,电阻加热器加热不具优势,因其不如热泵那样还可以提供空气调节的作用。 另一个考虑因素是房屋类型。需要综合考虑提供供暖服务的设备数量,住宅单元的年份和建筑类型(单户,公寓,移动房屋)等,才有助于确定哪种类型的空间供暖效果最佳。 供暖的共益电气化条件 消费者经济性 如上所述,电气化是否会使消费者在经济上受益取决于若干因素,包括区域气候变化和建筑类型。其他经济因素包括是否也同步安装了制冷设施,电器本身的安装成本,以及与化石燃料相比的相关电力成本。美国能源效率经济委员会(ACEEE)发布了一项研究,计算将现有燃油和丙烷炉和锅炉转换为高效热泵的能源,带来的财务和排放影响。该研究的结论是,在美国大部分地区,屋主可以在更换炉子时,用空气源热泵替换掉油或丙烷炉来节省全生命周期成本。美国可再生能源实验室预计,在全国平均的基础上,最晚到2050年,在替换设备时空气源热泵技术(包括寒冷气候热泵)与燃气炉相比具有成本竞争力。落基山研究所针对供暖和热水电气化组合的分析发现,对于四个案例研究地点,基于15年的净现值可以得出,空气源热泵对新建筑更具成本效益。在较冷的气候条件下,热泵可以通过提高建筑效率,依靠补充热源或增加储能系统来成为更经济的选择。 电网管理 因为每天和每季的电力需求都有所不同,电网需要一定的灵活性。将越来越多的可再生能源并入电网也需要更大的电网灵活性。电网运营商现在认识到,需求侧管理可以帮助实现电力平衡,共益电气化提供了一些优化负荷曲线的最佳方法。 温暖地区的电网运营商能够利用空气源热泵的电网管理优势。在较冷的地区,客户更有可能使用电阻加热器或带有辅助加热的热泵,电网运营商可以从这些技术提供的管理方案中受益。 电阻加热器可以为电网运营商提供服务,因为它可以满足需求(在容易获得时或低价时吸收能量)和供应(在系统存在用电压力和高电价成本时释放储存的能量)。 它还为风力资源丰富的地区提供了非常实际的经济机会。可以在每秒钟或者每分钟的基础上控制电阻加热器的加热元件,使其可以向电网提供辅助服务,例如频率调节和电压支持。智能技术还可以让电网运营商使用电阻加热器来帮助调节系统高峰负荷。 由于热泵产生大量的暖热,而不是少量的高温,因此它们通常不太适合于夜间充电和接下来在白天使用。然而,当与智能恒温器连接时,热泵可以通过在下午预供暖或预制冷,并在傍晚早高峰时段减少运行来帮助调节系统需求。 能源与排放效率 供暖电气化是否对环境有益取决于电力技术的排放效率和化石燃料选择 – 即单位能量的排放。通过将终端设备的效率与其能源供应的碳含量相结合,我们可以将电气化的排放效率与化石燃料替代品进行比较。本报告正文中第44-45页所示的计算表明,只有当电力系统有大量的燃煤发电时,热泵才会产生更高的碳排放。在所有其他系统中,热泵比化石燃料的同类产品更具排放效率。而且由于电网可能会在今后变得更加清洁,电子技术在其使用寿命期间也将变得更加清洁。 共益电气化三大条件的互相影响作用 按照我们对共益电气化的定义,只需要满足三个条件中的一个,且不会对另外两个产生不利影响就属于共益电气化。但是,每种条件的实现将根据具体情况而变化。这些情况以及这三个条件之间的相互作用意味着,决策者如果希望推动实现政策目标或获得预期成果,就需要制定并实施相应策略。例如,如果州内有减少排放的目标,那么在现有技术尚未为消费者提供经济利益的情况下,可能需要政策干预 – 例如通过退费项目来降低新投资热泵的前期成本。 潜在的电网管理效益将因地区和所使用的技术类型而异。在努力减少排放和为客户节约成本的同时,不会自然而然的收获这些利益,可能需要政策制定者和电网运营商的规划和管理。 供暖负荷将与风电很好地结合起来,风电在许多地区的夜间处于过剩状态,太阳能发电则会在夏季和下午达到出力峰值。 在许多情况下,热泵等节能电气技术已经在排放效率的基础上受到优先考虑,但对消费者来说可能还不具备成本效益。此外,即使电网的排放量足够低以创造环境效益,也需要有效管理新的电气化负荷,以降低电网运行成本。随着电加热和储能技术的提高,新的电气化带来的成本下降,发电产生的排放减少,这些问题会变得不那么明显。采用温室气体减排等气候政策的国家,可以通过提高建筑能效和供暖效率来减少排放。 将共益电气化用于供暖 通过改变居民供暖的方式,可以为消费者,电网管理实现显著效益,同时达到减排目的。但是,采用哪种技术和实施方案将取决于上述许多因素,以及辖区的政策优先性。 在本节中,我们将讨论实施供暖共益电气化的一些想法。 新建筑规范:新建建筑是实施新技术的理想机会,因为供暖和制冷系统以及水加热系统的全部成本是递增的。由于空气源热泵的成本竞争力不断提高,在大多数需要高效电气供暖和制冷系统的地区新建建筑时,是适合采用新的建筑规范的。鉴于紧密的建筑物围护结构对电气化供暖功效的重要性,规范也应该要求建筑物本身具有高热效率。 各州能源政策:当前的能效标准和激励措施可能会减少发电用燃料和其他燃料的消费,或者在能效政策中排除或免除其他非电力燃料。这可能不利于电气化发展。各州可以通过在其能效政策中加入电气化要求或通过调整政策来减少一次能源使用及温室气体排放,而不是减少千瓦时来解决这个问题。 还可以考虑在可再生能源配额制中加入电气化政策。为了降低热泵相较于化石燃料的前期资本成本,各州可考虑为低收入家庭制定融资和援助计划。 电价设计:电价设计的改革是共益电气化的关键要素。 实现在一天中的某些时间(例如,刮风时)带来的减排和节省成本的好处,需要良好的电价设计 – 包括分时电价 – 以激励客户转移其负荷。 激励措施:美国在全国范围内广泛推广了鼓励消费者采用各种终端技术的财政激励项目,这些激励措施包括电力公司的退费措施,第三方能效提供商或政府机构提供的退费,贷款或税收优惠。对于共益电气化来说,这些项目可能是重要驱动因素,也可能是障碍。应对所有燃料类型的激励项目进行评估,以确保它们不会在彼此冲突。 结论 本文旨在激发讨论,以及更进一步思考如何做到供暖实现共益电气化。我们讨论了各种气候条件和住房类型的技术选择,并得出结论,电气化供暖可以满足共益电气化的所有三个条件。随着技术的持续改进,特别是对于热泵和蓄热,在更复杂的情况下,例如非常寒冷的气候,将提供更具成本效益的电气化机会。为确保实现电网管理和减排效益,监管和政策的参与至关重要。我们建议重新评估建筑规范,各州能效计划以及各州和电力公司提供的财务激励措施,同时评估电价设计。目前可提供可行且通用的低成本电力供暖,以降低客户成本,提高电网灵活性,并大幅减少碳污染,预计未来还会呈现更多优点。

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EVs’ Rise Doesn’t Need to be Auto Dealers’ Demise

Some argue that the growth of electric vehicles will be the end of auto dealerships. Car dealers today derive significant revenues by providing parts and service for the internal combustion engine (ICE) vehicles they sell. If EVs, with their far fewer moving parts and far lower maintenance requirements, displace ICE vehicles, the reasoning goes that…