EV充电对公网带来巨大挑战，混合离网充电迎来新机会

如今，电动汽车已不再是小众的异类，而成为了主流。许多汽车制造商宣布了逐步淘汰ICE（燃油车）的目标，转而支持纯电动汽车。不过，乘用车并不是唯一一个正在兴起的电动化行业，中重型运输、建筑、农业和采矿业都面临着减少运输相关温室气体排放的压力，而电动化是一个越来越有吸引力的解决方案。

事实上，快速加速的电动化对老化的公用电网构成了巨大挑战。这些配电和输电网络的设计从来没有承载运输部门目前从化石燃料中获得的大约22000TWh（220亿kWh）电力的能力。对于没有现有电网基础设施的地区，这个问题则更为严重。建造新的电缆和变压器不仅成本高昂，而且非常耗时。那么问题来了：当电网基础设施缺乏或根本不存在时，电动汽车将如何充电呢？

随着纯电动汽车的普及，公用电网变得越来越紧张，让人们越来越担心配电网的容量是否能够支持电动汽车充电基础设施的及时部署。此外，建筑等新行业的电气化扩张也为充电要求带来了独特的挑战和机遇。为了解决这些问题，开发和部署独立于电网的充电系统成为了当务之急。

有三种解决方案已经浮出水面，它们是：离网充电、光伏篷和氢发电机，其各有利弊，都面临着一些挑战。

离网充电：电池和可再生能源的整合

任何基于可再生能源充电的关键挑战之一是解决间歇性问题（尤其是风能和太阳能）。这通常是通过集成现场电池来实现的，增加了系统的能量容量即可提高可能的充电率。这种方法可以扩展到混合系统，在过量发电时能量可以被分配回电网，或者当充电要求增加时可以从电网提取电力。混合区域可以连接到电网，并通过集成储能系统实现一定程度的离网运行。

发电前景：离网运行

新兴的关键解决方案之一是离网电动汽车充电。IDTechEx的最新报告《2024-2034年电动汽车离网充电：技术、基准、参与者和预测》明确了这一新兴且快速增长的领域。“到2034年，离网充电硬件市场将达到160亿美元，复合年增长率为47.15%，”IDTechEx技术分析师Mika Takahashi表示。

离网充电类别包括完全独立于电网的系统，也包括在资金上仍与电网相连的电池缓冲和岛式系统。下图说明了离网能源、现场电池存储、纯电动汽车和更广泛的公用电网之间的一些可能的能量路径。

离网/并网和混合电网解决方案的不同能量途径

目前，市场上出现了一系列由各种能源提供动力的完全离网和混合解决方案。这些技术将电动汽车直接连接到绕过电网的能源（通过电池存储）。能源可以集成在一起，从而从电网进行涓流充电或将多余的电力售回市电电源，但从广义上讲，这些充电方法可以完全离网运行。

光伏棚：不够经济

光伏棚和氢发电机是可再生能源的首选，前者是离网电动汽车充电的早期市场领导者，特别是在美国。这是一个相对简单的概念，它由一个头顶光伏篷组成，既为汽车遮阳又为电池充电，免费运行是该解决方案的额外好处。

光伏棚充电器是目前最成熟的市场，可提供100%可再生电力，无需任何基础设施。不过，一些关键技术限制预计将阻碍这些设备在特定地区和用例中的增长和采用。太阳能电池板的单位面积功率生产率相当低，通常在每平方米300W左右，这使其发电量和充电率被限制在较低的AC水平，虽然它可能适合在连续的阳光下补充电能，但在日益强大的快速充电市场中不太可能具有竞争力，特别是无法在夜间或恶劣天气下发电，而且光伏板价格高昂，尤其是考虑充电率时。

离网太阳能充电器的能量容量与光伏棚提供的光伏覆盖量密切相关。使用更大的电池组可以增加充电输出，但如果使用较小的光伏棚充电时间就会过长。为适应城市环境而设计的实用尺寸的光伏棚必然局限于非常低的功率输出水平，这是当前光伏技术无法改进的物理限制。

欧洲装机容量和理论覆盖率

氢发电机：纯电车燃料电池技术

尽管汽车制造商的兴趣持续存在，但燃料电池电动汽车（FCEV）的销量仍远落后于电池电动汽车。其主要问题之一是前期成本高和氢气采购困难。具有讽刺意味的是，从某种意义上说，纯电动汽车是FCEV的主要竞争对手，其出现可能会以临时分布式发电的形式为FCEV“续命”。

研究表明，燃料电池发电机的市场规模很小，但仍在积极增长，现场储存的氢气可以在需要时转化为电力，其中许多是为分布式发电而设计的，也有为电动汽车充电的氢燃料电池发电机设计。

氢燃料电池技术在分布式发电中的应用越来越普遍，被许多倡导者视为污染和碳密集型柴油发电机的绿色替代品。它可提供临时和高功率输出，这为越来越多的电动建筑用车提供了强有力的价值主张。

氢气优于其他可再生能源之处在于，只要有氢气供应，无论天气如何，都可以在一天中的任何时候用来发电。这与具有高度可变性和间歇性的可再生能源形成了鲜明对比。尽管有这些好处，但在采购廉价绿色氢气方面仍存在重大挑战。

分析表明，所使用的氢气类型会对整体二氧化碳排放产生重大影响，某些颜色的氢气可能比柴油发电机更具环境破坏性。尽管存在这些挑战，IDTechEx认为，氢动力电动汽车充电在未来十年将强劲增长，尤其是在需要更高充电功率且最难接入公用电网的行业，如建筑和公共公路快速充电，预计到2034年，其总市值将达到140亿美元。

用集成电池充氢

从氢能工业现状来看，灰色氢仍占主导地位。目前，氢气生产格局以灰色和黑色/棕色工艺为主，2021年蓝色和绿色氢气仅占产量的1%左右。就应用而言，大部分氢气用于炼油和氨生产，其次是甲醇和钢铁行业。在所有这些部门中，氢气都是至关重要的原料。FCEV和其他交通工具只占当前氢气使用量的一小部分。

IDTechEx比较分析了欧洲新型汽油和柴油乘用车燃料消耗的平均道路gCO2/km（每公里排放二氧化碳克数）排放量，以及氢电动汽车充电器和纯电动汽车的gCO2/km排放量。

首先，对充氢电动汽车而言，氢气产生方式对排放有重大影响。到2030年，使用蒸汽甲烷重整产生的灰氢将仅比目前的ICE车辆少排约20%-40%的二氧化碳。要想让氢电动汽车充电真正实现绿色，就必须使用100%可再生电力产生的绿色氢气。

其次，电网排放强度对纯电动汽车和充氢都很重要。欧盟能源发电的平均二氧化碳排放量意味着，目前纯电动汽车平均每公里产生50克二氧化碳。随着更多可再生能源发电的增加和取消燃煤发电，电网排放强度将逐年提高。

IDTechEx的分析表明，到2034年，氢电动汽车充电行业将需要23Mtpa（百万吨/年）的氢气。其中大部分可能是绿氢，利用离网电动汽车充电作为实现净零目标的一部分。它只是14Mtpa总的绿色氢气生产的一小部分。

预计欧洲和美国将有每年45,000台的建筑充电器安装量，到2034年氢电动汽车充电器累计安装量将达18,0000台。

最终用途：建筑和车队

研究表明，寻求为车辆供电的车队运营商在获取足够电力方面面临着越来越大的挑战，而缺乏可用的基础设施往往加剧了这一问题。电网升级也很慢，而且成本高得令人望而却步。在美国，电网连接的平均等待时间接近4年。

随着净零排放目标越来越严格，对电气化的推动力度越来越大，预计对基础设施的需求将比电网建设的速度快得多。在这种情况下，离网充电是提供这种电力的有力候选者，而不必求助于碳密集型柴油发电机。

用柴油为纯电动汽车提供动力不仅效率低下，而且可能损害电动汽车作为内燃机清洁替代品的声誉。在大多数情况下，电网电力总是比现场可再生能源发电更便宜、更稳定，但一系列能源的混合集成可以“补强”现有电网连接。

一个常见的例子是，车队和公共公路运营商电网连接有限，希望更快部署更多的网点，但电网升级需要长达几年的时间，而混合充电系统的集成可以提供必要的功率提升，甚至可以基于临时的基础。这特别适用于希望避免可能停电的关键任务车队。通过电网电力、可再生能源充电电池和应急燃料电池的组合充电可以增强能源安全性。

随着建筑业的电气化，柴油发电机将逐步淘汰，因此该行业将出现离网充电硬件的重要机遇。更大、动力更强劲的车辆需要大量的电能、高功率输出、快速充电，以最大限度地减少停机时间。

由于建筑工地通常位于未开发地区，获取电网电力可能是一个挑战，尤其是因为这些工地的临时性质抵消了建设电网容量的价值。在这种情况下，氢发电机组可提供高功率输出、临时安装和可扩展燃料量的组合。

未来，柴油发电机的噪音和颗粒物污染（NOx）预计会受到严格监管，尤其是在城市地区。因此，离网充电将成为电动建筑车的首选解决方案，这将是一个重要的机会。