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基于电动汽车、光伏系统和电池存储组成的可持续出行和能源解决方案的技术经济分析
毕业设计文献翻译
摘要：电动汽车、光伏系统和电池储存是面向私人家庭的可持续出行和能源解决方案的富有前景的组成部分。这些技术的快速、显着推广要求它们相对于内燃机车辆和火力发电厂等传统技术的成本竞争力较高。鉴于系统动力模型可以更好的解释一个商业模型的运作思路，因此被认为可以更好推动可持续解决方案的复杂商业模型的发展，进而更好的基于模拟研究进行评估。在追求确保可持续解决方案相对于传统解决方案的成本优势这一主要目标的同时存在着三个关键问题：第一，经济效益取决于客户特定的驾驶配置文件和家庭的负载配置文件，因此需要对大众市场进行差异化考虑，以便为可持续解决方案确定合适的目标客户。第二，成本优势受到环境因素的波动性影响，如电价、上网报酬和燃料价格。因此，必须定期观察可持续解决方案的成本竞争力，才能经营可行的业务。第三，电动汽车、光伏系统和电池储存之间的技术协同效应让客户更独立于电价。因此，如果要充分考虑客户的经济效益，谨慎的可持续解决方案的技术设计是必不可少的。基于系统动力学，一个新开发的可持续出行和能源解决方案的技术经济模型描述了这三个组成部分之间的技术协同效应以及由此产生的可持续出行和能源成本。通过参数变化，模型使用者能够修改客户需求、环境因素和技术设计选项，以获得有关成本变化的即时反馈。示范模拟运行，包括德国市场内理想典型的客户概况和解决方案设计，表明光伏能源在驱动电流中的可实现份额除了具有生态效益外，还具有强大的经济效益。该模型在德国一家公用事业公司进行了验证，为其业务发展和未来的营销计划提供了科学依据。
基于电动汽车、光伏系统和电池存储组成的可持续出行和能源解决方案的技术经济分析
Katja Laurischkat, Daniel Jandt
摘要：电动汽车、光伏系统和电池储存是面向私人家庭的可持续出行和能源解决方案的有前途的组成部分。这些技术的快速、显着推广要求它们相对于内燃机车辆和火力发电厂等传统技术的成本竞争力较高。鉴于系统动力模型可以更好的解释一个商业模型的运作思路，因此被认为可以更好推动可持续解决方案的复杂商业模型的发展，进而更好的基于模拟研究进行评估。在追求确保可持续解决方案相对于传统解决方案的成本优势这一主要目标的同时存在着三个关键问题：第一，经济效益取决于客户特定的驾驶配置文件和家庭的负载配置文件，因此需要对大众市场进行差异化考虑，以便为可持续解决方案确定合适的目标客户。第二，成本优势受到环境因素的波动性影响，如电价、上网报酬和燃料价格。因此，必须定期观察可持续解决方案的成本竞争力，才能经营可行的业务。第三，电动汽车、光伏系统和电池储存之间的技术协同效应让客户更独立于电价。因此，如果要充分考虑客户的经济效益，谨慎的可持续解决方案的技术设计是必不可少的。基于系统动力学，一个新开发的可持续出行和能源解决方案的技术经济模型描述了这三个组成部分之间的技术协同效应以及由此产生的可持续出行和能源成本。通过参数变化，模型使用者能够修改客户需求、环境因素和技术设计选项，以获得有关成本变化的即时反馈。示范模拟运行，包括德国市场内理想典型的客户概况和解决方案设计，表明光伏能源在驱动电流中的可实现份额除了具有生态效益外，还具有强大的经济效益。该模型在德国一家公用事业公司进行了验证，为其业务发展和未来的营销计划提供了科学依据。
1介绍
每年新的电动汽车注册量持续上升(IEA，2016)。如果且只有在使用可再生牵引电流的情况下，这一趋势才有很大潜力减少运输部门的二氧化碳排放(Casals等人，2016年)。一种可能性是使用住宅光伏系统产生的光伏能量。除了生态方面，还有尽可能多地自我消耗生产的能源的经济原因(Lang等人，2016)。由于可持续发展对消费者购买决策的影响小于经济因素，本文重点关注通过电力机动性和太阳能发电相结合可以实现的经济潜力。图1描述了目前市场上提供的六种相互竞争的可持续出行和能源解决方案类型。技术协同导致产生的光伏能量的自我消耗增加。
图1现行在可持续出行和能源方面竞争的六种解决方案类型
Fig. 1. Six current competing solution types for mobility and energy.
电动汽车和光伏系统的市场扩散会受到各种阻碍。消费者对电动汽车出行的主要担忧是电池续航里程、充电基础设施和车辆价格。此外，购车者对更清洁的汽车技术和汽车拥有成本知之甚少，而且经常不确定从电网获得的牵引电流的可持续性。关于光伏能源，消费者缺乏足够的知识和不适当的公司业务组合是关键的限制因素。Luthra等人将较高的初始资本成本、缺乏客户意识和技术复杂性确定为排名最高的三个复杂因素。
这项研究的目的是通过基于系统动力学的复杂业务模型的开发来克服这些障碍。商业模式描述了技术潜力和经济价值实现之间的逻辑联系。因此，商业模式创新是消除上述障碍以加速可持续技术传播的机会。研究的论点是，系统动力学推动了创新商业模式的发展，因为它使数学模型形式的心理模型变得清晰，便于交流，并对其进行模拟。重点放在数量上，对电动汽车、光伏系统和电池储备库之间的技术协同效应在自我消费增加方面的阳离子效应，以及由此对不同的客户群和技术设计选项产生的经济影响。因此，将技术部件集成到电网中的可能超出了本研究的范围。
2背景概述
本部分概述了用于可持续解决方案的现有商业模型方法，对系统动力学有一个基本的了解，并简要描述了研究方法的基本案例和研究的目标。
2.1可持续解决方案的商业模式
在电力移动性的情况下，已经存在在概念层面支持商业模式创新的方法。Kleyer等人为系统描述车辆和电池的商业模式、建设和供应充电基础设施以及整合到能源系统提供了三个形态框。Abdelkafiet等人提出了另一个用于商业模式分类和系统生成商业模式创新的框架，特别关注价值主张。Laurischkat等人。定义了对于想要使用电动汽车的客户来说必不可少的六个基本关键价值观，分析了电力移动行业商业模式的演变，并确定了有助于理解商业模式创新引起的路径依赖的四个原型。还探讨了电动汽车商业模式独特服务重点的潜力，如加速传播和确定营销中的关键成功因素。这一概念层面的研究得到了经济效率计算的补充，经济效率计算可以被视为商业模式创新的工具，因为它们允许评估电动汽车的经济竞争力。Hagman等人和Wu等人分别将重点放在2050年之前的电动汽车未来成本发展上，Hagman等人在目前市场供应的基础上提出一种简单的方法，基于潜在客户很容易理解，旨在加强电动汽车的营销努力。
除了开发电力移动性的商业模式外，还努力增加光伏系统的市场扩散。在概念层面上，Strupeit和Palm提出了德国、日本和美国基于客户的光伏系统的三种不同的商业模式，此外，Richter提出了一个模块化的分布式能源价值主张，作为德国公用事业公司商业模式创新的想法。在经济效率计算的水平上，Cucchiella等人和Hoppmann等人规定了在何种情况下电池储存对于住宅应用在经济上是可行的。Merei等人提出了光伏系统与商业蓄电池相结合的经济潜力。
鉴于上述文献，可以说，没有一种方法可以在经济效率计算的层面上确定电动汽车和住宅太阳能发电相结合带来的商业模式创新机会。
2.2反思可持续性的系统思维
基于系统动力学，已经努力在世界范围内减少二氧化碳排放。此外，Laurischkat和Jandt已经证明，系统动力学是分析和设计定制的可持续出行和能源解决方案的合适方法。下面简要介绍系统动力学模型的图解表示法。根据Sterman的说法，库存是用矩形表示的，这意味着用一个容器来存放库存的内容。流入由指向库存的管道表示，而流出由指向库存的旁路表示，阀门控制流量。云显示了流动的源和汇，因此构成了模型边界之外的种群。假设云的容量是无限的，永远不能限制它们支持的流量。在模拟开始时，每个库存都有一个预定义的初始填充水平。此外，还有不随时间变化的参数和随时间变化的动态变量。细箭头象征着几个变量之间的依赖关系。除了这些通用元素外，大多数软件工具都提供了表函数，其中可以存储动态变量和流的时间进度。图2说明了本文中使用的系统动力学符号。一个经常使用的水力学比喻是一个浴缸，用来比喻流入和流出的股票。它的充填程度可以用一个简单的依赖于时间的积分方程(1)来定义，其充填程度由股票的价值来表示。在本文中，通过部分流的定义对这种表示法进行了扩展：每一个流入或流出股票的流都可以细分为部分流，这些流的总和等于分流方程式(2)和(3))。部分流也被描述为阀门。
图2经典系统动力学符号(Sterman，2000)及其部分流扩展
Fig. 2. Classical System Dynamics notation (Sterman, 2000) and its extension by partial flows.
2.3案例研究的客观目标
讨论的例子是德国的一家市政公用事业公司已经以租赁的形式提供光伏系统、电池储存库和充电站。此外，市政公用事业公司提供了一个在线工具，帮助潜在客户评估具有可选电池存储的光伏系统的盈利能力，这取决于他们的地理位置、屋顶角度和年度家庭消费。然而，该工具并不包括电动汽车的使用。出于这个原因，电动汽车、光伏系统和蓄电池之间的技术协同效应导致汽车和能源行业的发展仍然模糊不清。各种各样的研究表明，农村和郊区的客户是最有前途的电动汽车客户，正是同样有巨大潜力安装光伏系统的客户，本文将重点放在这一特定的群体上。在基础研究项目的背景下，受人推崇的公用事业公司的产品经理提出了三个关键问题：“谁是可持续移动性和能源解决方案最有前途的客户？”，“哪些技术规格拥有最大的增值潜力？”以及“前两个问题的答案在接下来的三到五年内会发生怎样的变化？”由于汽车工业越来越努力地为电动汽车和光伏系统提供蓄电池，主要的公用事业公司追求两个目标。一方面，在可持续出行和能源解决方案日益复杂的市场中，为了确保竞争力，需要新的业务开发工具。通过这种方式，公司的产品经理可以重点识别农村和郊区家庭的目标客户，并使用系统动力学。另一方面，由于信息需求随着解决方案的复杂性而增加，移动和能源行业的公司面临着以清晰和简单的方式传达可实现的客户价值的挑战。因此，第二个目标是未来营销计划的科学基础(如Struben和Sterman，所要求的)，在这种情况下，客户使用系统动力学来增强他们对技术协同效应和由此产生的经济潜力的了解。表1从客户和供应商的角度概述了系统动力学的潜力及其可用性。客户的视角遵循罗杰斯(1983)定义的创新属性。
3可持续出行和能源解决方案的技术经济分析
研究方法是由系统动力学在可持续机动性和能源解决方案方面的应用决定的。为了评估系统动力学在多大程度上能够帮助应对这些复杂的系统，技术经济分析是与一家德国公用事业公司合作进行的。为了提高技术协同效应的透明度和创造经济客户价值的潜力，我们采取了两阶段的方法。
首先，借助系统动力学对工艺系统进行建模和仿真。重点特别放在具有众多电流的电子系统上，它的行为比传统解决方案的行为更难评估。因此，在以下部分中开发的仿真模型包括客户特定的移动性配置文件、家庭的负载配置文件和季度-小时分辨率的光伏发电配置文件。此外，还考虑了与车速相关的车辆消耗数据、各种光伏系统性能和电池存储容量。仿真结果提供了每年从电网提供和馈入电网的能量的信息。
其次，这些技术产值与两种截然不同的经济情景相结合，使得考虑到各种电力、燃料、电池储存和车辆成本以及饲料报酬的技术解决方案能够进行盈利计算。合适的工具是电子表格程序，由于采用两阶段方法，系统动态模拟可以从经济情景中解耦出来。当经济环境变化时，技术模拟值保持有效，只需要调整电子表格程序中的经济参数。
3.1对技术系统进行建模
为了使技术经济分析的仿真模型对于很少或没有仿真建模专业知识的人容易理解，使用了图2所示的系统动力学符号的水力学隐喻。图3概述了技术系统的模型。电气系统描述了电动汽车、光伏系统、蓄电池、家用电器和电网之间的动态相互依赖关系。电力系统通过太阳辐射、客户的能源需求和客户的可持续出行需求三个不变的输入而变得动态。从水力学的观点来看，光伏系统的输出功率可以看作是对电力系统的有效“正压”，因为它直接依赖于太阳辐射剖面。这种压力的大小会受到光伏系统峰值功率的影响，因此构成了工艺系统的一种设计方案。此外，家用电器和电动汽车的输入功率可以比喻为对电气系统的“负压”。为了平衡系统的正负压，蓄电池组和牵引式蓄电池组可视为补偿水库，使太阳能供给和能源需求解耦。最大充电功率以及蓄电池和牵引电池的容量是工艺系统的进一步设计方案。除了用户系统的这些要素外，还对电网的接口进行了建模。在用户系统内出现负压的情况下，电网提供能量，由供电表测量。相反，如果用户系统内的压力为正，电网就会接收由馈电表测量的能量。给出了电气系统(方程(33)-(39))载于附录的表8。此外，还将光伏系统、蓄电池、家用电器和电网的进出环节细分为部分流量。部分流的命名为OUTPUT和INFLOW，因此分别使用首字母缩写表示。例如，PVlt;Pg是从光伏系统
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