全球首都城市中接近零排放电动汽车充电站的混合可再生能源系统的经济优化

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Economic optimization of hybrid renewable system for near-zero emission electric vehicle charging stations in the capital cities of the world

电动汽车充电站混合可再生能源系统优化及全球经济性能与减排潜力比较，分析85个首都城市的日间/夜间充电场景，发现中东、北非及东南亚地区日间单位能源成本最低（0.09–0.15$/kWh），而中欧等地需更高经济激励。系统实现80%以上可再生能源占比，通过余电反哺电网平衡碳排放，年均减排1.4–16.2吨。

　　随着全球对可持续能源和清洁能源技术的重视程度不断提高，电动汽车（EV）的普及率也在迅速上升。与此同时，电动汽车充电站的需求也随之增长，这给电力系统带来了新的挑战。如何在满足日益增长的充电需求的同时，确保电力供应的可靠性并实现低碳甚至零碳排放，成为能源规划者和研究人员关注的焦点。本研究旨在通过优化混合可再生能源系统，分析全球范围内不同国家首都城市在为电动汽车充电站提供清洁电力方面的经济表现，并探讨在不同地理和经济条件下，实现近零排放充电的可行性和成本效益。

在当前的全球能源格局中，电力需求的增长主要受到人口扩张、工业活动增加以及技术进步的推动。特别是在交通运输领域，电动汽车的普及正在显著增加对电力的需求。根据国际能源署（IEA）的数据，截至2023年，全球道路上已有超过4000万辆电动汽车，预计到2030年这一数字将超过2亿辆。这一趋势意味着电力系统必须具备更大的容量和更高的稳定性，以满足不断扩大的充电需求。然而，传统电网的扩展往往伴随着较高的成本和环境影响，特别是在那些依赖化石燃料发电的地区。因此，探索替代性的、基于可再生能源的电力供应方案，成为实现可持续交通发展的关键。

本研究选取了全球85个国家的首都作为分析对象，这些城市在太阳能和风能资源、国家电力价格、通货膨胀率以及电网碳排放因子等方面各不相同。通过系统性地优化混合可再生能源系统，研究评估了这些城市在白天和夜间充电场景下的能源成本，并探讨了实现近零排放充电的经济可行性。结果显示，在中东、北非以及南亚和东南亚的首都城市中，白天的平准化能源成本（LCOE）最低，范围在0.09–0.15美元/千瓦时之间。而在欧洲中部、欧洲南部、东亚、大洋洲和北美等地区，LCOE则较高，范围在0.16–0.39美元/千瓦时之间。这意味着在这些高成本地区，为了使可再生能源成为绿色充电站的优选方案，可能需要更多的激励措施，以抵消与传统电网电价之间的差距。

此外，研究还计算了在至少每天有一辆电动汽车充电的情况下，这些充电站的潜在二氧化碳排放利润。结果显示，该利润范围在1.4–16.2吨/年之间。这一数据表明，采用可再生能源为电动汽车充电不仅有助于减少碳排放，还能在一定程度上实现经济上的收益。这为政策制定者提供了重要的参考，使他们能够更好地理解可再生能源在电动汽车充电领域的经济价值。

在全球范围内，许多国家和地区已经开始探索基于可再生能源的电动汽车充电解决方案。例如，在孟加拉国，Das提出了一种结合光伏、风力发电和电池储能的混合系统，利用HOMER和Python软件实现了能源成本的显著降低，并减少了多余的电力输出。在巴基斯坦，Ullah等人开发了一个类似的电网连接太阳能充电站，通过优化调度，他们实现了低于0.07美元/千瓦时的LCOE，尽管在最优方案中电网仍提供了超过35%的电力支持。在印度，Jaganath等人则引入了一种结合光伏、风力和电池储能的微电网系统，用于电动汽车充电站的车棚基础设施，其能源成本为0.45美元/千瓦时。这些案例表明，不同地区的可再生能源潜力和电网条件，对最终的经济表现和环境效益有着显著影响。

为了进一步提高系统的经济性和环境友好性，一些研究提出了更加先进的方法。例如，Monteiro等人分析了电池储能系统在可持续电动汽车充电基础设施中的应用，发现通过优化电池容量，可以有效缓解电网压力，降低负荷峰值，提高电压调节能力，从而确保电动汽车充电的稳定性和可靠性。Gogoi等人则引入了一种智能充电算法，用于光伏-电池-电网系统的优化，以提升电压稳定性并减少对电池的负担。他们的研究强调了电池储能系统充放电状态监测的重要性。Bouhedir等人则提出了一种基于规则的实时能源管理策略，旨在最大化太阳能的利用，同时保护电池健康，而不依赖于天气预测。Zhang等人则采用HOMER软件开发了一个多情景规划框架，展示了如何通过合理的系统配置和资源规划，在不同电动汽车普及水平下实现成本、可再生能源占比和碳排放之间的平衡。他们指出，当可再生能源占比超过80%时，LCOE可能降至0.15–0.20美元/千瓦时。Mohamed等人则构建了一个结合光伏、风力发电、电池储能和插电式混合动力电动汽车的混合微电网框架，用于分析在不确定性条件下的协调充电策略。他们采用了一种模糊云方法，以捕捉可再生能源发电和电动汽车需求的平均值和分布变化，并使用改进的极坐标蜜蜂交配算法进行调度和分配。这些研究突显了在可再生能源丰富的微电网中，采用先进的不确定性建模和优化技术对于实现经济可行且近零排放的电动汽车充电方案的重要性。

尽管上述研究在提升可再生能源在电动汽车充电中的应用方面取得了显著进展，但关于近零排放电动汽车充电站的经济比较，尤其是其潜在的碳排放效益和所需的激励措施，仍然是一个全球性的重要课题。例如，欧洲Fleet的报告指出，家庭充电桩的充电成本在0.08–0.30欧元/千瓦时之间，而公共充电桩的成本则高达0.49–0.93欧元/千瓦时。这种显著的成本差异，部分归因于公共充电桩在安装过程中需要更高的前期投资，包括硬件设备和足够的电力容量。此外，欧洲委员会的在线电动汽车充电价格计算器也验证了这一价格范围，估计最终用户的充电价格在0.50–1.0欧元/千瓦时之间。尽管一些国家的电网电价较低，但在那些依赖化石燃料发电的电网中，维持良好的环境表现仍然是一个全球性的挑战。

Lanz等人的研究进一步指出，在欧洲的电动汽车充电站中，电力供应和网络价格目前占最终能源成本的约三分之一。这表明，能源成本分析对于评估电动汽车充电站的经济可行性至关重要。特别是在Level 2充电站中，这类充电站通常用于中等续航距离的电动汽车充电，因此其经济性和环境效益需要特别关注。

本研究的创新之处在于，它是首个对全球85个首都城市进行综合成本优化分析的研究，提供了关于最低可再生能源安装容量、能源成本和碳排放减少潜力的全球比较。此外，本研究还首次对白天和夜间充电场景进行了对比分析，考虑了不同地区可再生能源资源的差异以及发达国家和发展中国家的经济条件，采用了一致的优化方法——HOMER Grid，以确保分析结果的准确性和可比性。通过这种方式，本研究不仅为政策制定者提供了决策依据，也为研究人员探索更加高效和环保的电动汽车充电解决方案提供了新的视角。

在实现近零排放的电动汽车充电过程中，一个关键策略是确保从电网购买的电力能够被等量的可再生能源发电所抵消。这意味着，充电站不仅要具备足够的可再生能源发电能力，还需要与电网保持良好的互动，以实现能源的平衡和优化。在某些地区，由于可再生能源资源丰富，例如风能和太阳能，这种平衡可以更容易地实现，从而降低整体的能源成本并减少碳排放。而在一些可再生能源资源有限的地区，可能需要更多的投资和技术支持，以提高可再生能源的利用率并降低对传统电网的依赖。

为了确保电动汽车充电站的经济可行性，研究还分析了在不同国家和地区的最低可再生能源安装容量、初始资本成本以及优化后的LCOE。这些参数不仅反映了不同地区的可再生能源潜力，还揭示了在不同经济环境下，实现近零排放充电所需的投入和回报。例如，在一些国家，由于电力价格较高，可再生能源的经济优势更加明显，而在电力价格较低的国家，可能需要更多的激励措施来推动可再生能源在电动汽车充电中的应用。

本研究的结果表明，通过优化混合可再生能源系统，可以显著降低电动汽车充电的能源成本，同时减少碳排放。这种优化不仅适用于特定的地区，还可以为全球范围内的政策制定者和研究人员提供有价值的参考。此外，研究还强调了技术进步和创新在提升可再生能源利用率和降低能源成本方面的重要作用。例如，智能充电算法、实时能源管理策略以及先进的不确定性建模方法，都可以帮助提高电动汽车充电系统的效率和可靠性。

在全球能源转型的背景下，电动汽车充电站的建设不仅是技术问题，更是经济和社会问题。因此，本研究不仅关注技术层面的优化，还从经济角度出发，探讨了实现近零排放充电所需的激励措施和投资策略。通过比较不同国家和地区的经济表现，研究揭示了可再生能源在电动汽车充电中的潜在价值，并为政策制定者提供了具体的建议，以推动清洁能源在交通领域的广泛应用。

总体而言，本研究通过全球范围内的数据收集和系统分析，为电动汽车充电站的可持续发展提供了重要的理论支持和实践指导。研究结果表明，通过合理的可再生能源配置和优化策略，可以有效降低电动汽车充电的能源成本，同时实现显著的碳排放减少。这不仅有助于缓解全球气候变化问题，还能为各国在能源转型过程中提供可行的解决方案。随着技术的不断进步和政策的逐步完善，可再生能源在电动汽车充电领域的应用前景将更加广阔。