紫冬学术 | 自动化系江奔奔团队合作发文提出跨尺度能源优化新框架，实现定量评估电动汽车的灵活性价值
为应对全球气候变化，减少碳排放已经在全球范围内引起了广泛的关注。在联合国气候变化大会上通过的《巴黎协定》强调了减排的重要性，并量化了减排目标，明确了实施细则。我国是《巴黎协定》的主要缔约方之一。我国承诺要在2030年前实现碳达峰，2060年之前实现碳中和。为实现碳达峰和碳中和的目标，国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》等进行具体规划和指导。其中，发展基于风能、光伏等可再生能源的低碳能源系统是降低碳排放的关键措施之一。然而，随着可再生能源使用渗透率的增加，提高能源系统灵活性以解决可再生能源的间歇性问题就变得越来越重要。
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有多种途径可以提高低碳能源系统的灵活性。发展高效储能系统以提供低碳能源系统所需的灵活性已经引起众多学者的广泛研究。除了储能系统之外，交通电动化也可以为低碳能源系统提供额外的灵活性。而交通电动化的灵活性价值尚未得到深入研究和量化表征。众所周知，电动汽车和燃料电池汽车是当前交通电动化的两个主要途径。从灵活性价值的角度来看，发展哪一种交通电动化途径更有优势也尚无定论。
图1. 低碳能源系统与交通电动化的两个主要途径（纯电动汽车与氢燃料电池汽车）
近日，清华大学自动化系江奔奔团队与北京大学、美国麻省理工学院等高校的科研人员合作，聚焦电动汽车和燃料电池汽车对低碳能源系统的灵活性价值评估问题，提出了综合宏观和微观模型的能源系统跨尺度优化框架，考虑电池老化和对应的老化成本在内，量化评估了电动汽车灵活充电和燃料电池汽车灵活加氢对低碳能源系统的灵活性价值。
该文将电动汽车和燃料电池汽车对低碳能源系统的灵活性价值量化为电动汽车灵活充电和燃料电池汽车灵活加氢对能源系统最低成本的降低值。通过跨尺度优化模型分别优化能源系统参数和调度，得到电动汽车和燃料电池汽车灵活充电或加氢前后系统的最低成本，进而量化得到两种交通电动化途径对低碳能源系统的灵活性价值。特别之处是，为考虑不同温度和充电速率下电动汽车电池退化引起的成本增加，基于电池微观多孔电极模型仿真计算不同使用工况下电动汽车电池的容量衰降，并转化为电池退化成本包括在能源系统多行业耦合的宏观优化模型中。使用提出的跨尺度优化模型，设置包括不同电池充电模式、电池使用温度和替换成本、不同政策（如不同氢能源发展途径和碳价格）等的多个场景分析电动汽车和燃料电池汽车在为低碳能源系统提供灵活性价值方面的相对优劣。
图2. 跨尺度能源优化框架评估电动汽车和燃料电池汽车灵活性价值
该文的研究结果表明：在考虑电池退化成本之后，电动汽车的灵活性价值显著降低，使能源系统最低成本减少4.7%以上，与燃料电池汽车的灵活性价值处于同一水平。不同政策和外界因素如碳价格、氢发展路线（蓝氢和绿氢）、氢需求量、电池充电速率、温度等均对电动汽车和燃料电池汽车在提供灵活性上的相对优势有影响。当电池充电时间变短、使用温度降低时，由电池退化加速和使用寿命降低引起的退化成本增加使得电动汽车的灵活性价值明显降低，在更多场景中失去其对燃料电池汽车在灵活性价值上的优势。与蓝氢相比，绿氢情况下电动汽车的灵活性价值也显著降低，而燃料电池汽车则无显著变化。
图3 不同电池充电模式下，电动汽车和燃料电池汽车在各场景中的灵活性价值对比
图4 不同温度下，电动汽车和燃料电池汽车在各场景中的灵活性价值对比
该研究成果以“一种跨尺度能源优化框架用于评估纯电动汽车与燃料电池汽车的灵活性价值”（A cross-scale framework for evaluating flexibility values of battery and fuel cell electric vehicles）为题发表在国际知名期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上。清华大学自动化系江奔奔副教授，北京大学何冠楠助理教授，和麻省理工学院邵阳 (Yang Shao-Horn)教授为通讯作者。清华大学自动化系博士后刘瑞雪和北京大学助理教授何冠楠是论文的共同一作。其他合作者包括清华大学自动化系博士生王玺哲，麻省理工学院达里克·马拉普拉加达(Dharik Mallapragada)研究员，和普林斯顿大学博士后赵宏博。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京自然科学基金、北京信息科学技术国家研究中心等项目的支持。
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