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算算经济账:日本火了10多年的燃料电池热电联供是否适合中国?

 发布时间:2022-02-23    点击量:237

11月22日,在佛山南海举行了*座氢能进万家智慧能源示范社区项目投运仪式。该项目位于南海区丹灶镇西安路与官抱路交界的丹青苑,总建筑面积超10万平方米。目前项目建筑已完成封顶,4台商用燃料电池热电联产设备已安装完毕,394户家用燃料电池热电联供设备样机也已到位。


据介绍,丹青苑的用户在一次性缴纳费用后,以后无需再缴纳燃气费和电费,但建筑造价将增加1500元/平米。与之换来的是碳排放降低50%,能源费用降低45%。

丹青苑为政府自持物业人才公寓租赁住房。这是一个基于分布式天然气燃料电池热电联产系统的多能互补微电网,是全国真正意义上的智慧能源示范社区。
佛山成为我国又一个吃螃蟹的人,将日韩的氢燃料电池热电联供引入中国。

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热电联供两条技术路线


燃料电池热电联供在日本,从2009年开始经过10年时间培育,家庭热电联供系统截至2019年已经安装了29.26万台,并能拥有很好的经济性。
开发热电联供系统的意义在于其可以将燃料电池运行过程中产生的热能收集利用起来,进而提高能源利用效率。该系统可大可小,大的可达到百kW量级,可以满足一个社区、商场或医院的热电需求;小的仅有百W或kW量级,可以满足单身人士或三口之家的热电需求。不同于集中式发电后远距离输送电能,这种能源利用模式被称为分布式能源利用系统,能够避免电池长距离输送导致的配电损失,提升能量转换效率,增加供能稳定性和适应性,是氢能运用的另一个重要场景,受到了政府的高度重视。

在我国“十四五“国家重点研发计划“氢能技术"中有个重大专项就与燃料电池热电联供有关,分别是“住宅用质子交换膜燃料电池综合供能系统集成关键技术(共性关键技术类)"和“氢进万家综合示范工程(应用示范类)",专项中指出,要将燃料电池热电联供装机用户提升至1万户以上,并将万套级成本降至5000元/kW以下。

12月17日发布的《深圳市氢能产业发展规划(2021-2025)》中也提出要多场景推进氢能应用,其中包括开发分布式能源、热电联供及备用电源不少于100套。

目前已经推出商业化热电联供产品的燃料电池类型分别有质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。如图2所示,PEMFC系统比SOFC型系统复杂,这主要因为PEMFC对CO的耐受性低,对燃料的纯度要求非常高,这增加了系统的运行成本。PEMFC采用纯氢作为燃料,工作温度一般不超过100℃,远低于SOFC的700℃,具有更好的启停特性和功率密度,因此PEMFC热电联供系统是目前应用比较广泛,技术较为成熟的一类燃料电池系统。


但SOFC的工作效率更高,并且无需贵金属催化剂,燃料适用性广,在发电的同时能产生大量的高品位热能,所以SOFC热电联供系统在较大功率使用场景中,如百kW量级的医院,非常具有发展前景。


然而,也应该指出,目前PEMFC系统基于现有天然气供给网络,如果在氢能高度发展的社会能够使用纯氢,那么系统结构能够大大简化,发电效率也能进一步显著提升,从而降低购置成本和运行成本。


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图2 PEMFC型和SOFC型家用燃料电池对比,来源于 蒙浩,吕泽伟与韩敏芳,日本家用燃料电池热电联供系统商业化应用分析.中外能源, 2018.23(10):第1-8页.


02


日本10年磨一剑



得益于国家的重视和良好的政策条件,日本和欧洲的燃料电池分布式热电联供技术得到迅速的发展。

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表2 国外热电联供政策概况




日本是一个能源极度匮乏的国家,出于提高能效、保障能源安全、提升工业竞争优势等考虑,日本政府高度重视氢能产业发展,立志成为“世界一个进入氢能社会"的国家。


得益于“新日光计划",燃料电池作为新一代发电技术进入大众视野。随后日本新能源产业综合技术开发机构(NEDO)委托日本燃气协会制作1kW样机用于住宅用燃料电池热电联供系统,为燃料电池创新性运用寻找道路。该项目由松下电器、三洋电机和松下电工主持完成。随后东京燃气公司向200个家庭以租赁的方式提供PEMFC系统,标志着日本家用化燃料电池进入实用化阶段。2008年6月,日本燃料电池实用化推进协议会(FCCJ)为提高民众对燃料电池的名度,统一将家用燃料电池热电联产系统命名为“ENG-FARM"。


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图3 ENE.FARM计划成为推动日本燃料电池热电联产的重要抓手


2009年,日本政府为了加速“ENE-FARM"项目计划的发展,推出为期十年的设备购置补贴政策,该项目进入加速推广阶段。2009年补贴额度高达9.2万元人民币,占销售价格的46%,每年补贴逐步退坡,2018年占销售价格的5%,2019年全面取消。受益于补贴政策支持,技术成本逐渐下降,截止2018年底,ENE-FARM单台设备销售价格(无补贴)降至6.4万元人民币,与2009年相比降幅超过三分之二,累计安装规模达到29.26万台,推广运用取得重要进展,如图3所示。在这个过程中发展较好的企业有松下、东京燃气株式会社、爱信精机、东芝和京瓷株式会社等


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图4 日本ENE-FARM系统累计安装数量及售价,来源于神瑞宝等,日本家用燃料电池热电联供系统在中国应用的经济性分析.中国电力, 2020.53(10):第74-79页.


ENE-FARM系统在促进节能减排、应对自然灾害等方面发挥了积极作用。ENE-FARM可使每户家庭减少碳排放1.3~1.9t/年,相当于0.5~0.7台燃油车年排放量。同时,ENE-FARM多次在地震、台风等自然灾害导致电力供应中断时,为居民家庭提供了低限度的电力和热量供应,有效支撑了抢险救灾和灾后重建工作,因此也加深了群众对燃料电池热电联供系统的认识和认可。


意大利Gigliucci建立了世界上基于质子交换膜燃料电池的热电联供系统。该系统的建立,旨在验证PEMFC热点联供系统的可行性。对系统的测试表明,该系统符合“概念性样机"的预期要求。因此欧洲各国在燃料电池热电联供领域的技术积累也非常深厚。自2012年欧洲启动ENE-FIELD工程以来,联合27家单位,如图5所示,到2017年,在12个欧洲国家累计安装1046台家用型热电联供系统。该项目工程主要基于SOFC和PEMFC开发了数十款运用于欧洲普通家庭的微型热电联供系统,其中以SOFC为基础的有603台,以PEMFC为基础的有443台,部分装置可实现高达60%的发电效率和95%的系统总效率。其中发展较好的热电联供产家有Solidpower、喜德瑞、菲斯曼和博世等



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图5 欧洲ENE.FIELD项目参与单位



03


算算经济账


家庭用分布式燃料电池热电联供系统的经济性建模可从购置成本和运行成本两方面进行分析。为了满足用户的用电和用热需求,传统供能方式电能依靠市电提供,热能(主要是生活热水)只需要购买一台天然气热水器便可满足需求,购置成本一般为1500元左右。家庭用分布式燃料电池系统可同时满足用户的热电需求,购置成本为4.2万元,其主要技术参数如表1所示。


表1 日本典型ENE-FARM技术参数


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传统用能方式的使用成本包括电费、燃料费和取暖费,家庭分布式燃料电池的使用成本理想来说只包括燃料费,可能包括燃料费和取暖费,采用电定热的使用方式决定燃料使用量,并基于能量守恒定律作为分析基础。经济分析相关参数取值如表2所示。

表2 经济分析相关参数取值


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取天然气的热值为35590kJ/m3,以及热水器的效率为80%。,根据家庭年生活用水量计算得到年加热热水所需能量:87.6*103(kg)*4.2kJ/(kg*℃)*30℃=1.104*107kJ,当采用传统用能方式时则所需燃料387.67m3,则日本燃气消费3333.92元,中国燃气消费1007.93元。另外,由表2得,供暖所需总能量为3.703*107kJ,日本供暖所需费用10388.57元,中国供暖所需费用为1645.71元。当采用家庭分布式燃料电池供能时,由于采用电定热的方式决定燃料使用量,日本家庭用户年所用电能为3.109*107kJ,除以能量转换效率39%,则需要能量7.972*107kJ,此时需要天然气2239.869m3,所需燃料费用19262.87元。由表1得,热电联供系统生产热能为4.62*107kJ,能够满足加热生活用水和供暖的能量需求。中国家庭用户年所用电能为1.185*107kJ,除以能量转换效率39%,则需要能量3.039*107kJ,此时需要天然气853.83m3,所需燃料费用7342.91元。另外,热电联供系统生产热能为1.761*107kJ,能够满足加热生活用水的能量需求,但不能满足供暖需求,需补充供暖能量3.046*107kJ,即需要供暖费1353.62元。


表3列出了日本和中国两种供能方式的年使用成本。日本由于使用家庭热电联供系统每年能够节省花费8795.38元,使用5年左右该种用能方式能够达到收支平衡,并且该系统具有10年使用寿命,故而使用该系统在10年内能够降低花费约4万元。然而当在中国使用该套分布式燃料电池联供系统时,每年运行费用反倒增加了4千多元,尚不具备经济性。


表3 两种供能方式年使用成本比较


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需要注意的是,以上计算没有包含碳排放的成本。如果算上碳排放成本,氢燃料电池热电联供就更有优势了。

04


总结与展望


因为我国能源消耗量、能源价格的绝对数值和比价关系与日本存在较大差异,现阶段ENE-FARM在日本已具备经济性,在中国尚不具备不推广条件,但可在海岛、牧场等电网末端区域或自然灾害如台风频繁发生的区域配合新能源发电一起使用,提高能源供给保障能力。


随着燃料电池热电联供技术的发展,购置成本进一步降低,以及能源价格体系进一步理顺,燃料电池分布式热电联供技术经济性将获得提升,有希望实现盈亏平衡,可首先在节能环保社区或特色城镇社区进行定点实验示范运行,获取相关参数和工程经验,条件成熟后推广。


文章来源:香橙研究会  作者:牧尘

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