电网拥堵制约美国汽车电动化的气候效益：传输网络的关键作用与减排潜力分析

《Nature Communications》：Grid congestion stymies climate benefit from U.S. vehicle electrification

【编辑推荐】美国汽车电动化虽能助力碳中和，但现有电网传输容量严重制约其减排效益。西北大学Motter团队通过构建三种优化模型（Model I-III）分析发现，在2018年发电结构下，完全电动化可使车辆运行CO2排放减少50.3%，但电网拥堵导致额外16.3%的拥堵诱导排放。研究指出，当可再生能源装机达非可再生能源容量时，仅需针对性升级3.4%输电线路即可消除拥堵排放，凸显输电网络现代化对实现交通电气化气候效益的紧迫性。

　　

随着《巴黎协定》将全球温升目标限定在2°C以内，交通领域作为美国温室气体排放的“大户”（占比29%），其电动化转型被视为碳中和的关键路径。然而，当电动汽车（EV）的充电电力仍部分依赖化石能源时，其碳减排效益究竟能发挥多少？西北大学和西安交通大学的研究团队在《Nature Communications》发表的最新研究揭示了一个关键瓶颈：电网传输容量的不足，正悄然吞噬着汽车电动化本应带来的气候红利。

传统认知中，电动汽车的环保优势毋庸置疑。研究显示，2017年美国电动汽车的能效（98.2 MPGe）远超燃油车（26.0 MPGe），每加仑汽油被电力替代可减排约8.9(1-x·10^-3) kg CO₂（x为电网排放强度）。但问题在于，这些电力需要穿越复杂的输电网络才能抵达充电桩。当风能、太阳能等间歇性可再生能源比例上升时，电网的传输拥堵可能迫使本地负荷依赖高碳能源，形成“拥堵诱导CO₂排放”。

为量化这一效应，研究团队构建了覆盖美国三大互联电网（西部、德州、东部）的高精度模型。基于美国联邦能源管理委员会（FERC）的电网数据、美国能源信息署（EIA）的负荷曲线、美国国家可再生能源实验室（NREL）的风光发电数据，以及美国环境保护署（EPA）的电厂排放数据，他们设计了三种优化模型：Model I模拟无电动化时的基准电网运行；Model II计算电动汽车充电后的最优调度；Model III则寻求最小成本的输电线路升级方案。

关键技术方法

研究采用直流最优潮流（DC Optimal Power Flow）模型，基于功率传输分布因子（PTDF）量化线路功率流，构建多时段优化问题。通过Gurobi求解器计算满足实时功率平衡、线路容量约束、发电机爬坡率等条件下的最小排放调度。车辆充电需求按县人口分布分配至200 kV以下节点，可再生能源出力基于NREL实测数据缩放模拟不同渗透率场景。

拥堵导致的CO₂排放

在2018年发电结构下，完全电动化使美国车辆运行CO₂排放从1707 Mt/年降至849 Mt/年，减排50.3%。但若电网容量充足，减排幅度可达62.3%。其中，西部互联电网因可再生能源渗透率最高（37.3%），拥堵诱导排放最为显著——实际减排70.0%与潜在减排89.0%的差距，完全源于输电限制。

更严峻的是，随着可再生能源比例提升，拥堵效应反而加剧。当风光水电装机占比达到50%（与非可再生能源容量持平时），无拥堵电网可使车辆运行排放降至8.1 Mt/年，接近零碳运营；但现有电网下排放仍高达644 Mt/年，其中98.7%为拥堵所致。这意味着，若无输电升级，80%的可再生能源渗透率才能达到充足电网下30%渗透率的减排效果。

最优电网升级策略

Model III显示，消除拥堵排放仅需全美3.4%的针对性线路升级，但三大电网差异显著：西部、德州、东部需分别升级10.5%、0.35%、0.04%的容量。升级需求峰值出现在可再生能源渗透率50%（西部、德州）和40%（东部）时，届时全美13.4%的线路需扩容，涉及2490条高压线路。

结论与展望

该研究首次量化揭示电网基础设施已成为电动化减排的“隐形天花板”。尽管分布式发电和电厂排放标准可部分缓解问题，但无法替代输电网络的系统性现代化。尤其当人工智能数据中心、加密货币挖矿等新兴负荷加剧电网压力时，跨区域协调规划的重要性愈发凸显。研究者强调，输电线路建设周期长达数年，必须立即行动以避免交通电气化与气候目标脱钩。这一结论对长期忽视电网投资的国家具有普适性警示意义。

研究同时指出模型局限性：未考虑电压稳定等动态约束，且假设电动汽车按人口均匀分布。未来引入更精细的负荷分布数据和AC潮流模型，或将进一步凸显拥堵效应的严重性。但无论如何，当前结果已清晰指向——没有现代化的电网，就没有零碳交通的未来。