意大利电动汽车大规模接入对电网的每小时能源需求影响：基于电网模拟与政策分析

本研究针对意大利大规模普及纯电动汽车（BEV）对电网带来的挑战，通过高分辨率小时级模拟分析，量化了不同渗透情景下电网负荷、热力发电需求及CO2排放变化，并提出通过分时电价、储能扩容和太阳能倍增等策略可降低35%排放，为欧盟"Fit for 55"气候目标提供关键决策支持。

　　

随着全球城市化进程加速，预计到2050年全球68%人口将居住在城市地区，城市环境质量已成为关乎人类健康的核心议题。根据欧洲环境署(EEA)报告，在欧盟27国范围内，公路运输贡献了约40%的重金属排放、30%的氮氧化物(NOx)和20%的一氧化碳(CO)排放，同时分别贡献了11%的PM_2.5、10%的PM₁₀和26%的黑碳排放。空气污染导致欧盟2018年约40万人过早死亡，2016年全球范围内更达700万人。交通运输作为欧盟2019年总CO₂排放的四分之一（其中71.7%来自公路运输），已成为欧盟环境政策的重点管控领域。根据欧盟绿色协议，计划到2050年实现交通运输领域温室气体排放相比1990年减少90%。2021年7月，欧盟委员会进一步提出2030年实现轿车和货车温室气体排放分别减少55%和50%，2035年达到零排放的目标。

在此背景下，从传统内燃机汽车(ICE)向纯电动汽车(BEV)的转型被视为实现交通部门减排的重要路径。然而，BEV大规模普及对电力系统带来的挑战尚未得到充分研究，特别是在小时级时间分辨率上对电网需求的影响。意大利国家电网目前运行峰值负荷容量约为60GW（Terna 2024年数据），日均需求约840GWh，基础负荷约35GW，储备边际为15-18%。尽管意大利在可再生能源（特别是太阳能和水电）部署方面取得进展，但电网级储能仍限于约5GWh，主要分布在抽水蓄能和少量锂离子装置中，这种有限的储能容量显著制约了电网吸收和重新分配高频需求波动（如BEV充电引入的波动）的灵活性。

以往研究多关注BEV采用的年度或日均影响，缺乏对小时级需求波动的深入分析。例如Konjanatnikorn研究了泰国电动汽车使用对年度电力需求的整体影响，但未考察昼夜能源需求增加的效果；Straub等人考察了柏林BEV和家庭用电在高峰时段的需求，但仅关注高峰时段而未考虑高速公路快速充电需求；Vega-Perkins等人美国家庭用电调查也未考虑快速充电效应。这些研究空白凸显了开展高时间分辨率电网模拟的必要性。

本研究通过建立国家尺度的小时级能源需求模拟模型，首次对意大利BEV大规模采用带来的小时和日度能源需求变化进行全面分析。研究采用基于Python的模拟模型，整合了家庭和高速公路快速充电的小时充电曲线、意大利可再生能源结构（太阳能、风能、水电、生物能源）和5GWh电池储能系统，评估了2024年两种情景：350万辆BEV和700万辆BEV。研究结果揭示了BEV充电行为与可再生能源供应之间的匹配问题，以及由此产生的电网压力和排放影响，为电网规划和政策制定提供了关键见解。

研究采用的关键技术方法包括：基于Python的电网模拟模型，整合NumPy和Matplotlib进行数值计算和可视化；小时级充电需求建模，区分家庭/城市充电（7kW/车）和高速公路快速充电（350kW/车）；可再生能源发电数据基于Terna 2024年官方统计数据；电池储能系统模拟假设5GWh容量、2GW最大充放电速率和90%往返效率；排放计算采用500gCO₂/kWh的热力发电排放因子。模拟覆盖典型24小时周期，优先顺序为可再生能源发电、电池储能放电和热力发电。

2.1. 意大利背景环境

意大利2024年达到20万辆BEV在运行，总电力消费306.1TWh，平均小时日需求(AHDD)为838.63GWh。2022年约300TWh/年的电力由可再生能源（不可调度、可调度）和热力发电满足。不可调度可再生能源中，风电贡献约20,500GWh/年，光伏约28,100GWh/年，水电约23,400GWh/年；可调度可再生能源中，生物能源约17,600GWh/年，地热约5,800GWh/年，水库系统约12,800GWh/年，抽水蓄能约13,400GWh/年；化石燃料热力发电中，热电联产约207,300GWh，非热电联产约183,000GWh/年。全国共有约4790座水电站、34座地热电站、6639座热电站、5731座风电站、1,016,083座光伏电站和2985座生物能源电站。

根据ANFIA数据，2010-2022年意大利新注册BEV和插电混动汽车(PHEV)比例显著增长。这种快速增长预计将对国家电力需求产生深远影响，特别是改变日小时功率需求和充电基础设施所需输送能源的时序与强度。

2.2. 第一情景

根据国家能源与气候计划(NECP)，到2030年意大利将约有600万辆电动汽车在运行。假设目前意大利小型内燃机汽车中约12%被同等尺寸BEV替代，预计小型BEV数量约350万辆。根据全球电动汽车平均电池容量估算，这类BEV平均满电容量为50kWh。高速公路快速充电假设供应能量为最大容量的80%（即40kWh/车·次），充电操作持续时间约7分钟，插拔操作2分钟。家庭或城市充电站充电假设每周每辆车供应40kWh，耗时约6小时。

不同子情景基于BEV在城市/乡村和高速公路使用比例及使用高速公路快速充电系统的BEV百分比。用于城市/乡村路线的车辆假设由家庭/城市充电系统充电，用于高速公路的车辆假设由快速充电系统充电。高速公路使用BEV数量按不同小时计算基于充电系统利用数据。

2.3. 第二情景

基于目标指示，假设小型、中型和大型ICEV中各有20%被BEV替代。 resulting BEV数量为：小型5,117,101辆，中型1,698,812辆，大型163,790辆。不同子情景基于不同尺寸BEV在城市/乡村和高速公路路线使用比例及使用高速公路快速充电系统的数量。家庭/城市和快速充电期间供应能量假设为最大电池充电容量的80%，小型40kWh，中型65kWh，大型85kWh。插拔操作时间每辆车假设2分钟。严格充电要求小型、中型和大型BEV分别需7、11和15分钟，加上2分钟插拔操作。

3. 电网模拟模型

为评估BEV采用对意大利能源系统的广泛影响，开发了电网模拟模型来评估BEV增加的能量需求如何与国家可再生能源供应和电池储能系统互动。模型量化了对化石燃料热力发电的依赖、相关二氧化碳(CO₂)排放和潜在电网稳定性风险，解决基础设施重新设计以支持大规模BEV扩散的需求。模拟聚焦2024年典型24小时周期，使用基线和两种BEV情景的小时需求曲线及意大利2024年能源结构。

电网模拟模型估计BEV情景1（350万辆BEV，1.1TWh日需求）和情景2（700万辆BEV，1.25TWh日需求）下的小时需求-供应平衡，与基线条件（838.63GWh日需求）比较。模型以小时分辨率运行，能源供应优先顺序为：可再生能源发电、电池储能放电、热力发电作为最后手段。当可再生能源超过需求时，剩余能量存入电池，受容量和效率限制。模型输出包括小时功率平衡(GW)、热力发电(GWh)、CO₂排放(吨)和电池储能状态(SOC, GWh)。

4. 结果分析

根据先前假设，增加ICEV被BEV替代对意大利电力需求的影响在情景1和情景2中报告。结果显示，将小型BEV数量增加到350万辆汽车（即第一情景），日消费相比基本日需求显著增加，从最低约7%到最高30%。能量需求较高增加发生在夜间和一天最初几小时（即从中午12点到早上7点），表明家庭/城市充电操作是影响较大的。白天，基本需求与第一情景相关需求之间的能量需求差异较低，需求峰值从基本需求约45GWh增加到情景1e70约47GWh。最可能的变化是在情景1e，假设70%车辆通过高速公路日充电，上午11点至下午1点能源消耗可能达到50GW。由于夜间家庭汽车充电量增加，最显著变化可能与晚上12点至凌晨3点时段相关，每小时能源消耗最多增加10GWh。第一情景整体日能量需求平均约1.1TWh，相比当前基本需求平均838.63GWh。

第二情景结果显示，将小型BEV数量增加到约700万辆汽车，日消费相比基本日需求显著增加，从最低约14%到最高70%。根据结果，国内和高速公路消费高峰时段能源消耗可能变化的影响可检测到，昼夜所有小时能量需求增加。能源消耗的显著变化将发生在夜间，特别是凌晨1-2点，这些时段能源消耗最多增加至55GWh，特定小时增加超过25GWh。类似地，白天和晚上小时也检测到显著能量消耗增加。对于10%和30%BEV在高速公路充电的子情景，能量需求峰值在夜间凌晨1点达到。对于70%BEV在高速公路充电的子情景，白天出现两个峰值，第一个 around 11am约57GWh，第二个 around 6pm约57GWh。

4.1. 小时能量需求热图

热图说明了2024年典型一天意大利电池电动汽车(BEV)采用导致的电力需求小时变化。比较基线情景（无BEV，838.63GWh/天）与两个电气化情景：情景1350万辆BEV（1.1TWh/天）和情景2700万辆BEV（1.25TWh/天）。热图可视化小时需求增量(GW)，颜色强度指示额外负荷大小——从情景1的4-8GW到情景2的6-12GW。明显需求峰值在01:00-02:00观察到，与家庭慢充电相关（情景147GW，情景250GW），以及在11:00和18:00，对应高速公路快速充电活动（分别48-49GW和52-53GW）。这些时间特定激增阐明了国家电网内的显著脆弱性。

4.2. 电网模拟结果

电网模拟模型量化了BEV采用对意大利能源系统的影响，通过分析小时需求-供应互动、热力发电需求和CO₂排放为2024年典型一天。模型评估三种情景：基线（无BEV，838.63GWh日需求）、情景1（350万辆BEV，1.1TWh日需求）和情景2（700万辆BEV，1.25TWh日需求），整合可再生能源供应（太阳能、风能、水电、生物能源、地热）和5GWh电池储能系统。

5. 讨论

电网模拟结果提供了关于大规模电池电动汽车(BEV)采用对意大利电力基础设施系统影响的关键见解，突出电网稳定性挑战和脱碳机会。情景1下，代表350万辆BEV，日电力需求增加19%达1.1TWh。此情景需要152GWh热力发电，导致约76,000吨CO₂排放每天，需求在夜间家庭充电高峰（01:00-02:0047GW，排放～6000吨CO₂/小时）和高速公路快速充电时段11:00和18:00（48-49GW）。情景2下，假设700万辆BEV，需求增加40%至1.25TWh，需要224GWh热力发电——比情景1多47%——并产生112,000吨CO₂排放每天。需求峰值变得更加明显，夜间达50GW，中午和晚上快速充电间隔达52-53GW，小时排放最多7500吨CO₂。

这些发现强调了BEV相关需求激增的时间粒度，这在年度研究中常被掩盖。与先前研究如Konjanatnikorn（估计泰国BEV采用年度需求增加12%）和Straub等人（德国10%BEV渗透提高峰值需求15%）相比，本研究小时分辨率模型识别了关键电网压力点，特别是在夜间和傍晚早期。5GWh电池储能系统提供有限缓解——通过在高峰小时（如01:00-02:00）最多2GW放电抵消约20%峰值热力发电——其容量不足处理情景2观察到的15GW短缺，需要继续依赖化石备份发电。

通过量化跨情景小时CO₂排放——范围76,000至112,000吨每天——本研究通过将BEV电力需求时间动态与环境影响联系填补文献关键空白，这是年平均模型常缺少的元素。这些结果对意大利能源政策有重要影响，特别是鉴于欧盟Fit for 55目标。有效需求侧策略如分时电价(TOU)可以将20-30%BEV充电转移到非高峰小时（如03:00-05:00），从而减少热力发电估计25%，与加州类似计划一致。此外，扩展储能容量至10-15GWh将增强系统灵活性，可能减少化石燃料依赖30-40%，特别是吸收和重新分配意大利中午太阳能过剩（12:00-14:00间可用18.33GW）。

进一步，缩放太阳能发电至56,200GWh/年到2030——如意大利国家能源与气候计划(NECP)概述——可能使可再生能源满足高达80%BEV相关需求在白天小时，显著降低排放。集成智能充电系统动态响应可再生能源可用性可能减少峰值需求额外10-15GW，如北欧系统试验所证明。

研究结论与意义

本研究提出了针对意大利电动汽车集成电力需求的新颖高分辨率小时评估，揭示了向电动出行转型期间电网稳定性和环境可持续性的关键挑战。涉及350万辆和700万辆BEV的情景导致日电力需求分别增加19%（1.1TWh）和40%（1.25TWh），需求峰值达47-53GW，特别是在夜间家庭充电和白天高速公路快速充电期间。电网模拟结果表明热力发电需求升至152-224GWh每天，对应76,000-112,000吨日CO₂排放。这些发现还突出了当前5GWh储能基础设施不足缓解高渗透情景中最多15GW峰值短缺。

与先前年度分辨率研究相比，本研究的时间粒度及其家庭和高速公路充电的整合为大规模BEV采用对电网可靠性和排放的影响提供了新颖见解。建议政策措施如分时电价、电池储能扩展至15GWh和太阳能发电容量加倍，以减少CO₂排放25-35%并满足高达80%BEV相关电力需求与可再生能源。这些干预与欧盟Fit for 55目标一致，并为其他国情提供可扩展策略。未来研究应优先实时可再生能源集成和车辆到电网(V2G)系统以增强负载平衡和电网灵活性。意大利经验为协调电动汽车部署与脱碳能源系统提供了可复制框架，支持更广泛可持续能源转型。

尽管就从传统向电动出行转变的环境效益（特别是温室气体排放和空气污染物如NO_x和颗粒物减少）存在共识，更广泛辩论中几个未解决挑战仍然存在。虽然BEV减少尾管排放，与电池生产、回收和报废处置相关的人类健康影响担忧持续存在。