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作者:徐業良(2011-12-04);推薦:徐業良(2011-12-04)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2012年一月號,史丹福專欄。

V2G技術-談電動車充電站與智慧電網的結合

話說史丹福專欄2011年十一月號,我寫了一篇「汽車新產業-電動車充電站」,介紹電動車充電站的原理與發展。文末留下這麼一段小尾巴,

「台電夏月尖峰時間1度電3.22元,非夏月離峰時間只有1.42元,尖峰離峰差距兩倍不止。因此許多電動車充電站設備廠商,已經在開始規劃如何利用所謂「智慧電網」技術,讓長時間掛在充電站的電動車,多多利用離峰時間充電。事實上電動車電池是一個很大的電能儲存裝置,日本的日產車廠宣稱,旗下電動車Nissan Leaf的電池充飽電之後,可以供給一般日本家庭所需兩天的電能。日產已經在發展一套充電裝置,能和家中電源整合,離峰時間對電動車充電,停電或尖峰時間可以反過來供電給家庭使用。智慧電網,又是一個複雜的新話題,也許下次有機會史丹福專欄再來個續集吧!」

您知道,原本我只純粹想把這篇文章做個結尾,這些電力系統的事確實不是我的專業。不料汽購總編大維兄對於智慧電網(Smart Grid)的話題非常感興趣,到歐洲看車展蒐集了一大堆歐洲電動車充電站的資料,寄給我以後還親自email催稿交代要「儘速見稿」,我只好硬著頭皮努力研讀資料,耗了一個週末為讀友們整理一篇電動車充電站的下集,最新的V2G (Vehicle to Grid)技術,電動車充電站與智慧電網的結合。

OK,「智慧電網」是甚麼意思?

傳統的想法,電力公司只要把電力按全地由電廠傳輸到用戶端,用戶所有的電器有電可以用,任務就算完成了。但是在這個能源價格飆漲、講求節能減碳的時代,這樣顯然還不夠。電力建設總是跟不上需求,如何將有限的電力資源做整體規劃、管理,降低用電成本、提升用電效率,便是智慧電網所要達到的基本目的。

要規劃、管理電力資源,首先當然要知道用戶端各種電器用電資訊。智慧電網將供電端到用電端的所有設備都裝上感測器(主要是數位電表),透過資通訊技術傳輸用電資訊,如此每個住家、公司、機關、學校,都可以透過智慧電網掌握自家用電狀況,機動調控用電,以達到電力資源最佳配置。利用智慧電網,電力公司也可以掌握全區用電資訊加以整合分析,以進行電力調度,或者根據用電量進行差別訂價,引導用戶在尖峰時間減少用電等等。

這樣講好像太抽象了些,舉個就發生在我們學校、我很熟悉的智慧電網應用實例給大家聽。

我任教的元智大學總務長是我的好友電機系魏榮宗教授,他是國內智慧電網的超級大專家,常聽他談這個事兒,我也耳濡目染了解一些。過去三年多魏總務長把整個元智大學校園當成了實驗室,佈建了完整的智慧電網,校園裡的每棟大樓、高耗能的設施和實驗室都獨立安裝了連接上網的數位電表,所有資訊彙整到「校園電力監控系統與節能管理系統」,任何人上網都隨時可以看得到元智大學各種細部用電資訊。

有了這套智慧電網,總務處便可全盤掌握校園用電狀況,還用不著做甚麼特別的調控,只要和台電公司訂定最適當的契約容量,就能省下一筆電費。進階一些的作法,在智慧電網架構下,資訊和指令是可雙向溝通的,夏月尖峰時間用電快要超過契約容量時,總務處可以遠端遙控輪流機動關閉校內各個大樓中央空調作洩載,以免超約被台電罰錢;根據智慧電網彙整的資訊,總務處也可隨時查知異常用電狀況、及早察覺電路或設備損壞加以修復;搭配校內所有教室都設定為依據課表「有課給電、無課斷電」,校內大樓中央空調冰水主機、加熱游泳池溫水的熱泵等大電力設備用電時間也作適當排程,在費率便宜時段才開啟使用等等措施,校園智慧電網的建置不但大幅節省學校水電費支出,元智大學這兩年還因此得到一大堆節能減碳之類的績優獎項,儼然成為全國「綠色大學」的代表…

好吧,我目前在學校擔任教務長,有些職業病,老是不知不覺地就推銷起元智大學來…

不過智慧電網和電動車充電站到底有甚麼關係呢?

以住家規格的智慧電網來說,電動車的電瓶,其實可以扮演一個很重要的電力儲存站的角色,提供智慧電網住家電力調度所需電能。

電動車有兩個特質,相當適合擔任住家或公司智慧電網的電力儲存站。首先電動車電瓶容量很大,前面提到Nissan Leaf的電池充飽電之後,可以供給一般日本家庭所需兩天的電能;其次根據歐洲一項對電動車車主使用行為的調查顯示,每部電動車平均只有5%的時間在馬路上行駛,另外95%的時間絕大部分(超過80%)都是停放在住家的車庫或公司的停車場充電,就像是一個靜止的大電瓶,確實可以做更充分的利用。

除了日產已經發展一套電動車充電裝置,能和家中電源整合,離峰時間對電動車充電,停電或尖峰時間可以反過來供電給家庭使用之外,越來越多的電動車充電裝置的開發已不只是單方向對電池充電,而一開始的定位就是成為住家智慧電網的一部分,需要時電動車電電瓶的電能也可以回流至電網,交互充電放電。

傳統的電力大多是大型集中式發電廠,火力、水力、及核能發電等所產生,然而隨著再生能源的推廣,越來越多的住家、公司、機關、學校擁有自己的再生能源發電設備,如太陽能板、小型風力發電、工廠的汽電共生、甚至生質能發電等。這些分散式自有電源產生的電力,目前多半是併入市電回賣給台電公司,不過這些再生能源系統發電量並不穩定,時有時無,反而會對電網造成一定的衝擊。智慧電網另一個功能,就是要有效管理這些不同再生能源產生的電力。

所以您知道,未來電動車充電站功能已不僅僅是充電,將電動車充電與智慧電網的控制中心結合起來,為電動車車主開啟了各種不同的經濟和環保應用的可能性。前面提到住家、公司、機關、學校利用再生能源自產電力,未來的趨勢是不再一定要併入市電回賣給電力公司,也可以儲存下來在高電價的尖峰時間使用以節省電費,這時候電動車的超大電瓶就會是一個很好的暫時儲存電力的地方。即使家中沒有利用再生能源自產電力,電動車車主也可以在晚上低電價離峰時間對電動車電瓶充電,白天高電價尖峰時間再將電動車電瓶的電可以回流至電網使用,讓您的電費始終是每度1.42元的離峰電價。

同樣的機制在公司停車場的充電站也可以使用,有些電動車充電站的設備廠商已經描繪了頗誇張的「情境」。夏天的早上員工紛紛開著電動車來上班,停在公司的停車場,順手接上電動車充電器。公司的智慧電網依據用電的歷史資料和目前的氣溫,預測未來幾個小時高電價時段將會是用電的高峰,所以不但沒有為員工的電動車充電,反而吸取電動車電瓶中的電量,提供公司的空調用電。當然執行這個動作前智慧電網事先傳訊息給電動車告知車主,以免車主臨時需要用車,同時也把從各個電動車電瓶中吸取的電量計個帳。中午過後空調用電需求下降,智慧電網才開始反向對電動車充電,下班時間仍然來得及把每部車充得飽飽的,讓員工開車回家。

您開車回到家,停在家中車庫,又順手接上電動車充電器。家中的智慧電網沒有立即為電動車充電,而是計算好充飽電瓶所需要的時間,午夜過後電價最低時才對電動車充電。第二天正好是週末,電動車沒有開出車庫,白天高電價尖峰時間,家中的智慧電網也吸取電動車電瓶的電量提供家中空調使用;太陽大起來,屋頂上的太陽能面板開始發電,智慧電網也直接將這些自產電力儲存到電動車的電瓶中。當然這些充放電的排程,車主都可以自行透過網路介面(甚至智慧型手機應用程式)依照自己的需求先行預設好。

這些應用情境聽起來也許有些誇張,但從技術面來看,實際實現其實並不遙遠。

當然這些應用情境要真的發生,電動車必須能和智慧電網充分「對話」。美國的「自動車工程協會(Society of Automotive Engineering, SAE)」還特別訂定了一套標準,SAE J2847/1,名為「插電式電動車和電網之間的通訊(Communication between Plug-in Vehicles and the Utility Grid)」。

所以這篇文章的標題,V2GVehicle to Grid,是真有其事,不是我胡吹亂蓋的。

V2G電動車與智慧電網的連結,除了技術發展之外,還有很大的產業推廣的意義。電動車的技術越來越成熟,特別是插電式混合動力電動車(Plug-in Hybrid)已經能夠廣為車主所接受。然而電動車要能真正普及,瓶頸仍然在於是否能有足夠的充電站基礎建設。

電動車充電站的理想形式,目前看起來越來越明朗,主要需要的可能不是類似現有加油站式的路邊充電站,而是裝置於住家、公司的充電站。智慧電網的發展,本來就是能源與資通訊兩種產業的結合,把電動車加電站一起包括進去,等於又再加上了電動車產業,電動車充電站推廣的力度必定更強。事實上除了汽車產業致力於電動車充電站開發之外,如GE、西門子等電力設備廠商在發展家用智慧電網設備時,也都同時考慮提供電動車充電使用,這個方向看起來卻時有利於電動車普及。

對於車主來說,選擇使用電動車,主要誘因本來就是經濟和環保。將家用電動車充電站與智慧電網結合,估計每年電費的節省在4,000美元,還同時提高了環保的誘因,是個多贏的局面呢!