美国配电网升级挑战：住宅全面电气化对分布式电网的影响及需求侧管理策略的成本效益分析

本研究发现，美国住宅和私人车辆全面电气化可能导致配电网峰值需求激增，尤其在寒冷地区需求峰值可达现今5倍。全国电网升级成本预计达3500-7900亿美元（2800-6400美元/户），但通过需求侧管理（DSM）——包括降低热负荷、提升设备效率（如采用地源热泵）和协调设备运行——可减少超过三分之二的升级成本。研究强调“智能电气化”需技术、社会科学与政策协同，为清洁能源转型提供关键经济与工程见解。

　　

引言

化石燃料驱动的交通、供暖和热水系统约占美国温室气体排放量的一半。用电驱动设备替代化石燃料机器可减少排放，但住宅和车辆全面电气化可能使电力需求超过电网安全限值，增加停电风险或需要昂贵且耗时的电网升级。本研究评估了美国本土48个州所有县住房和私人车辆电气化对配电网的物理和经济影响，发现空间供暖是电网影响的主要驱动因素，寒冷地区需求峰值高达现今5倍。全国配电网升级可能需要600吉瓦容量，成本在3500-7900亿美元之间（95%置信区间），但需求侧管理可消除超过三分之二的电网升级成本。

科学与社会意义

在清洁电力和建筑及私人车辆全面电气化的未来，美国温室气体污染将减少约一半。但建筑和车辆也将消耗更多电力，尤其在最寒冷天气。研究表明，加固配电网以适应这些新的电力需求峰值可能使每个美国家庭花费2800-6400美元。同时，“智能电气化”——在电气化同时采取缓解电力需求峰值的措施，如降低热负荷、提高设备效率和协调设备运行——可将电网升级成本降低三分之二以上。实现经济实惠的全电气化未来需要工程师开发赋能技术、社会科学家引导技术发展满足人们需求，以及政策制定者通过法律或激励措施塑造技术采用。

研究亮点

• 对3100个美国县的300万住房和600万辆车辆进行建模

• 电气化可能危及配电网，尤其在寒冷气候区

• 全国范围内加固配电网可能花费3500-7900亿美元

• 需求侧管理可将电网升级成本降低三分之二以上

方法概述

研究使用开源EDGIE（模拟电气化对配电网影响）工具箱进行自下而上模拟，估计每个县当前和全电气化未来情景下的配电网容量。模型包括热泵、电动汽车、热水器和建筑热动力学，使用真实天气数据、室内温度设定值、生活热水使用和杂项电力负载数据。设备参数根据县和气候特定数据调整，所有数据公开以促进重现或扩展工作。

对物理基础设施的影响

模拟显示，在迈阿密峰值制冷周，电气化使峰值需求翻倍，主要源于电动汽车充电；在明尼阿波利斯峰值供暖周，峰值需求增加四倍，主要驱动因素是寒冷天气下的空间供暖。全国模拟表明，当前归一化峰值需求（每户千瓦）在炎热地区较高，西南部热点达13千瓦/户；全电气化情景下，归一化峰值需求转向更冷地区，中西部北部达25千瓦/户。配电网升级需求（全电气化与当前配电网容量之差）在中西部北部、东北部和落基山脉地区最高，达23千瓦/户，许多冬季温和的南部地区需少量或无升级。县间升级需求的显著差异源于住房类型和大小、绝缘和密封水平、驾驶模式、天气极端情况或其他位置特定数据，表明需要定制基础设施规划。

配电网升级成本

基于三项研究确定典型配电网升级价格范围，使用Rauschkolb等人方法修改后得出代表价格范围。全国升级成本估计使用平均升级价格960美元/千瓦（95%置信区间587-1331美元/千瓦）。州总成本估计显示，人口密度高且每户升级需求高的州总成本最高。例如，纽约760万户总成本约600亿美元（7900美元/户）；北达科他州寒冷人口稀少地区，在97.5%价格百分位下每户成本达18000美元。全国25年升级成本在中心价格情景下为5700亿美元（180美元/户/年），比较1995-2019年25年间配电网基础设施总支出9750亿美元（390美元/客户/年），增量升级成本增加58%。聚合美国本土48州，25年家庭和私人车辆全面电气化配电网升级成本额外3500-7900亿美元（110-250美元/户/年），背景参考：美国住宅能源账单约2300亿美元/年（1800美元/户/年），2022年通货膨胀减少法案分配约3700亿美元/10年（290美元/户/年）用于能源和气候支出，美国年度军事预算2023年约8200亿美元（6500美元/户/年）。

“智能电气化”的成本降低

评估三种需求侧管理策略：通过更好绝缘和密封减少建筑热需求（模拟有效热阻增加25%）；空气源热泵转向地源热泵（单位热产出少用约三分之一电力，需更少备用电阻热）；通过协调热水器、电动汽车和热泵运行减少峰值总需求（如热泵在预期峰值前预热家庭，或电动汽车充电与热泵运行交错）。模拟显示，减少建筑热需求（左）和地源热泵（右）显著降低升级需求，尤其在最冷地区；设备协调（中）适度降低升级需求，因协调电动汽车充电可减少任何地方峰值需求。单独策略分别降低成本19%、28%和43%；组合策略降低成本40%（热需求减少和地源热泵），所有三种策略组合降低全国电网升级成本71%，至总额1650亿美元（50美元/户/年）。

建模选择的敏感性

热泵效率显著影响升级需求：寒冷地区热泵效率类似当今设备时，全国升级成本增加25%。夜间降低供暖温度设定点可能增加升级需求：用户降低设定点时，全国升级成本增加31%。热泵尺寸影响升级需求：非常寒冷天气尺寸仅满足设计制冷负荷、更多依赖备份热时，全国升级需求增加21%；最冷地区（气候区5、6和7）成本增加33%。热泵效率、夜间温度设定点调整和热泵尺寸敏感性超相加：联合敏感性研究全国升级成本增加87%。天气数据选择影响小：使用2050年SSP2-RCP4.5天气数据时，全国升级成本减少8%，因气候变化减少寒冷地区空间供暖峰值胜过炎热地区空调需求增加。配电网净空假设影响升级需求估计：商业照常情景净空0%和全电气化未来净空100%极端情况下，全国升级成本1.4万亿美元；100%商业照常净空和0%全电气化净空下，成本2150亿美元。电动汽车和热泵采用率影响升级需求：10%采用时成本<10亿美元，30%采用时400亿美元，40%以上采用时升级需求近似线性增加。

潜在影响与局限性

研究发现可为能源系统设计和运营决策提供信息。电网运营商可能在全电气化情景电力需求分布解析估计或生成它们的开源软件中用于容量扩展规划。政策制定者或公用事业项目管理员可能使用需求侧管理结果塑造电气化激励，例如设备协调缓解电网影响的有效性可能保证电气化激励以安装传感、通信和计算能力设备为条件。公用事业监管机构可能在评估公用事业因电气化驱动电网升级成本增加费率请求时参考物理或经济估计。最后，论文主要结论可能影响关于美国能源系统未来的全国对话。挑战包括缺乏可靠空间解析配电网拓扑和升级价格数据：缺乏拓扑数据时未分析电气化对电能质量（如电压和频率调节）影响；建模广泛地理区域总电网升级，未捕获公用事业实际电网升级过程的组件级细节（从单个建筑服务引入线到服务数千建筑变电站变压器）。缺乏空间解析电网升级价格数据时每个县使用相同价格分布；更高分辨率价格数据可实现更精确配电网升级成本估计。未来工作可能评估公用事业服务领土级非县级的电网升级成本，以澄清这些成本如何影响零售电价。

未来工作方向

许多机会扩展本工作：本文范围涵盖美国住宅部门和私人车辆电气化驱动配电网升级。未来研究可能扩展至包括输电网升级和发电容量扩展，包括商业和工业部门电气化，或其他国家。特别地，估计住宅电气化传输和发电成本将是直接有用扩展。未来研究可能扩展开源EDGIE工具箱以合并太阳能光伏、固定电池、双向电动汽车充电或热能存储。最后，尽管本文估计了需求侧管理策略在缓解配电网升级成本中的价值，这些策略也可能减少传输和发电容量扩展成本、温室气体排放、空气污染和家庭能源账单。有趣未来工作方向是识别位置特定电网升级和需求侧管理措施混合，适当平衡各种成本和收益。