SOFC在天然氣分布式應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性分析

姚利森

上海聯(lián)和日環(huán)能源科技有限公司

0 引言

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。

固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點，可直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳?xì)淙剂稀０磻?yīng)用領(lǐng)域可分為便攜式能源系統(tǒng)、家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)、汽車輔助電源系統(tǒng)和分布式能源系統(tǒng)[1]。

本文對不同應(yīng)用場景下以天然氣為燃料的固體氧化物燃料電池分布式應(yīng)用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

1 固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池是一種采用電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的裝置，其工作過程不受限于卡諾循環(huán)，效率遠(yuǎn)高于其他發(fā)電設(shè)備。該電池可采用多種燃料，以H2、CH4、CH3OH作為燃料的反應(yīng)化學(xué)式見表1。

表1 SOFC反應(yīng)化學(xué)式[2]

天然氣作為常見的化石能源，被廣泛應(yīng)用在分布式系統(tǒng)中。當(dāng)天然氣作為SOFC的燃料時，其工作過程如下：在高溫工作條件下，SOFC陰極側(cè)通入的空氣中的O2被陰極催化裂解成O2-，在電化學(xué)勢差的作用下，O2-離子穿過離子電導(dǎo)的陶瓷電解質(zhì)隔膜片，到達(dá)陽極，與天然氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成水和CO2，對外放出電流。該反應(yīng)的主要產(chǎn)物是CO2和水，是一種低排放的綠色能源來源方式。

2 分布式應(yīng)用前景

2.1 分布式應(yīng)用

天然氣分布式能源是指利用天然氣作為燃料，通過冷、熱、電聯(lián)供的方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，在負(fù)載中心附近能實現(xiàn)能源的供應(yīng)，是一種現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是實現(xiàn)天然氣高效利用和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要途徑。目前常見的天然氣分布式能源發(fā)電設(shè)備包括：微型燃?xì)廨啓C(jī)、中小型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)及燃料電池，且目前已有很多從業(yè)人員對天然氣分布式利用的熱經(jīng)濟(jì)性計算進(jìn)行了研究，姜曙等[3]對某能源站的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

近年來，分布式電站由于其成本低、可維護(hù)性高等優(yōu)點已逐步成為世界能源供應(yīng)的重要組成部分。由于SOFC發(fā)電的排氣有很高的溫度，具有較高的熱能利用價值，可提供天然氣重整所需熱量用于生產(chǎn)蒸汽，也可以和燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)，適用于分布式發(fā)電和供暖。SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不但具有較高的發(fā)電效率，同時也具有低污染的環(huán)境效益。

國外公司及研究機(jī)構(gòu)相繼開展了SOFC電站的設(shè)計及試驗，100kW管式SOFC電站已在荷蘭運行。美國西屋公司不但試驗了多個kW級SOFC，而且正在研究MW級SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。日本三菱重工及德國西門子公司都進(jìn)行了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的試驗研究[4]。

2.2 SOFC優(yōu)勢

相對于其它天然氣分布式能源發(fā)電設(shè)備，SOFC具有以下優(yōu)勢。

2.2.1 發(fā)電效率高

燃料電池發(fā)電為化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)限制，直流發(fā)電效率可高達(dá)70%以上，交流發(fā)電效率可達(dá)65%。相比其它熱機(jī)，電效率具有明顯優(yōu)勢，尤其是對于1MW級別的發(fā)電單元。同時，燃料電池作為分布式能源供電，可安裝在負(fù)載中心附近的位置，避免了電路傳輸損耗和配送損耗。

2.2.2 余熱品質(zhì)高

分布式能源應(yīng)用，不僅應(yīng)考慮電能的輸出，同時也需考慮冷、熱能源的輸出，SOFC發(fā)電余熱溫度較高，約700℃～800℃，同時余熱溫度穩(wěn)定，余熱經(jīng)過熱回收系統(tǒng)可以熱水或供暖的形式使用。

2.2.3 無振動低噪音

SOFC采用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，不存在機(jī)械運行，不產(chǎn)生振動，工作噪音在45dB以下。因此安裝地點非常靈活，可安裝在工作區(qū)域，休閑區(qū)域，也可安裝在住宅區(qū)域、樓頂。

2.2.4 燃料選用范圍廣

SOFC可使用的燃料類型非常廣泛，包括天然氣、煤制氣、合成氣、生物質(zhì)氣、甲醇等。SOFC運行溫度較高，方便燃料中高碳化合物的催化重整成H2和CO。采用金屬Ni作為內(nèi)重整催化劑，成本低，且CO2不會毒化。

2.2.5 綠色環(huán)保、低碳排放

NOx和SOx是當(dāng)今環(huán)境污染的主要污染源之一，而SOFC發(fā)電進(jìn)入的原料僅為空氣和燃?xì)?。燃?xì)饨?jīng)脫硫處理，因此尾氣中不含SOx?？諝怆m然經(jīng)高達(dá)800℃的高溫環(huán)境，但由于反應(yīng)過程在大氣壓力條件下，幾乎無NOx產(chǎn)生。

3 應(yīng)用模式分析

3.1 發(fā)電模式

純發(fā)電模式，具有系統(tǒng)簡單、總體能量利用率較低的特點，也是SOFC系統(tǒng)最為常見的利用方式。美國的布魯姆能源公司（Bloom Energy）已為美國谷歌（Google）、易貝（eBay）、沃爾瑪（Wal-Mart）等公司提供了超過100套的SOFC系統(tǒng)。

3.2 發(fā)電供暖模式

發(fā)電供暖模式分兩類，一類是SOFC余熱供暖[5]，另一種是復(fù)合GT[6]，形成SOFC-GT余熱供暖。

3.2.1 余熱供暖模式

SOFC余熱供暖系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 SOFC余熱供暖系統(tǒng)

該系統(tǒng)能量利用率高，系統(tǒng)較為簡單，適合北方供暖地區(qū)應(yīng)用。

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）于2011年開發(fā)成功全球首個商業(yè)化的SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)電單元和利用廢熱的熱水供暖單元組成，輸出功率為700W，發(fā)電效率為46.5%，綜合能源利用效率高達(dá)90.0%，工作時的溫度為700℃～750℃，在作為家庭基礎(chǔ)電源同時，并可利用廢熱用作熱水器或供暖器。

3.2.2 SOFC-GT余熱供暖

SOFC-GT余熱供暖如圖2所示。

圖2 SOFC-GT余熱供暖系統(tǒng)

圖2 為SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)（GT）構(gòu)成的混合分布式發(fā)電系統(tǒng)。SOFC-GT混合發(fā)電系統(tǒng)由燃料處理系統(tǒng)、電池堆、余熱利用系統(tǒng)及直交流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，發(fā)電效率高達(dá)60%以上。

工作過程為天然氣經(jīng)過加壓和脫硫處理后被系統(tǒng)廢熱加熱，與利用電池堆余熱加熱的水蒸汽混合輸入電池堆的陽極。高溫的潔凈天然氣和水蒸氣在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生H2。常溫的空氣經(jīng)壓縮后由燃燒器的高溫排氣加熱到電堆入口溫度后輸入到電池堆的陰極。電堆內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能和熱能。陽極與陰極排氣（未反應(yīng)完燃料和空氣）進(jìn)入燃燒室燃燒，燃燒室的排氣將天然氣和空氣加熱到電池堆的入口溫度后，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)做功，輸出電能。由于廢氣溫度很高，經(jīng)過燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣也有較高的溫度，這部分廢氣通過煙氣換熱器進(jìn)行余熱回收，加熱供暖回水，經(jīng)過煙氣換熱器的廢氣溫度大幅降低，排入大氣中。

該系統(tǒng)發(fā)電轉(zhuǎn)換率高，但系統(tǒng)復(fù)雜，運行難度較大。

3.3 多聯(lián)供模式

多聯(lián)供模式如圖3所示。

圖3 冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)

在發(fā)電供暖的基礎(chǔ)上，增加溴化鋰制冷系統(tǒng)，形成冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)，冬季供暖、夏季供冷。該系統(tǒng)全年綜合能源利用率較高，但系統(tǒng)復(fù)雜程度也相應(yīng)有所提高，適用于辦公場所、寫字樓等商用場所。

4 SOFC系統(tǒng)成本

目前大量SOFC系統(tǒng)的演示驗證，SOFC的技術(shù)可行性毋庸置疑。目前SOFC發(fā)電系統(tǒng)已進(jìn)入了初步量產(chǎn)和成本降低的階段，進(jìn)入千家萬戶已為時不遠(yuǎn)。

成本一直是限制SOFC推廣應(yīng)用的一個關(guān)鍵性因素。

SOFC系統(tǒng)成本可分為SOFC電堆及其他輔助設(shè)備，如燃料重整器、燃燒器、熱交換器等等，這些輔助設(shè)備也被稱為平衡部件（BOP，Balance Of Plant）。

按目前的工藝路線，SOFC電堆部分僅占整個發(fā)電系統(tǒng)成本的較小部分。由于未能滿足長時間穩(wěn)定運行的BOP部件，需要研發(fā)和特殊訂制，因此目前BOP部件的成本約占總成本的70%。通過大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化將能顯著降低BOP部件的成本。

除了BOP部件，發(fā)電系統(tǒng)的核心部件——SOFC電堆的成本也有大幅下降空間。目前SOFC電堆成本主要包括各種材料、組件制備、封裝集成、人力等幾個方面。除了通過大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化以降低電解質(zhì)粉體、耐高溫金屬等關(guān)鍵材料的價格外，改善工藝步驟、提高電池制備的成品率也是降低成本的關(guān)鍵。

美國能源部固態(tài)能量轉(zhuǎn)換聯(lián)盟（Solid-State Energy Conversion Alliance，SECA）從2001年開始投入SOFC研發(fā)，在單電池性能、功率密度、可靠性和先進(jìn)制造技術(shù)上取得重大進(jìn)展，目前，SOFC電池堆成本與2001年相比降低了90%以上，如圖4所示。

圖4 SECA-SOFC成本下降趨勢預(yù)測

5 經(jīng)濟(jì)性分析

本文以北京（六城區(qū)外）地區(qū)的商業(yè)場所作為應(yīng)用場景。

5.1 各模式技術(shù)條件

影響經(jīng)濟(jì)性的各模式下技術(shù)條件見表2。

表2 技術(shù)條件匯總表

5.2 經(jīng)濟(jì)性評價

本文經(jīng)濟(jì)性評價參考的計算原則和依據(jù)如下：

（1）《化工投資項目可行性研究報告編制辦法》（2012年修訂版），中石化聯(lián)產(chǎn)發(fā)［2012］115號；

（2）《投資項目可行性研究指南》（試用版），原國家發(fā)展計劃委員會辦公廳計辦投資［2002］15號文；

（3）《化工投資項目經(jīng)濟(jì)評價參數(shù)》，國家石油和化學(xué)工業(yè)局國石化規(guī)發(fā)［2000］412號文；

（4）《建設(shè)項目經(jīng)濟(jì)評價方法與參數(shù)》（第三版），國家發(fā)改委、建設(shè)部發(fā)改投資［2006］1325號文；

（5）《火力發(fā)電工程建設(shè)預(yù)算編制與計算規(guī)定》（2013年版），國家能源局；

（6）《關(guān)于發(fā)布電力工程計價依據(jù)適應(yīng)營業(yè)稅改征增值稅估價表的通知》，電力工程造價與定額管理總站定額〔2016〕45號；

（7）《關(guān)于發(fā)布2013版電力建設(shè)工程概預(yù)算定額2018年度價格水平調(diào)整的通知》，電力工程造價與定額管理總站定額[2019]7號；

（8）《火力發(fā)電工程經(jīng)濟(jì)評價導(dǎo)則DL/T 5435-2009》，國家能源局；

（9）《環(huán)境保護(hù)節(jié)能節(jié)水項目企業(yè)所得稅優(yōu)惠目錄（試行）》，國家稅務(wù)總局。

5.3 計算基本條件

經(jīng)濟(jì)性計算基本條件匯總見表3。

5.4 結(jié)果分析

5.4.1 計算結(jié)果

經(jīng)濟(jì)性計算結(jié)果見表4。

表4 經(jīng)濟(jì)性計算結(jié)果

由表4可見：

（1）多聯(lián)供模式經(jīng)濟(jì)效益最佳，單純發(fā)電模式收益率最低；

（2）增加供熱、供冷等空調(diào)功能后，系統(tǒng)經(jīng)營成本變化較小，同時收益較為客觀，對項目的投資收益率拉動明顯；

（3）在不需要供冷的區(qū)域或供冷時間較短的區(qū)域，發(fā)電供暖模式具有相當(dāng)?shù)母偁幜Α?/p>

5.4.2 敏感性分析

以“發(fā)電模式”為例，以電價及造價的變化作為條件分別進(jìn)行敏感性分析。

表5 造價對收益率的敏感性分析

表6 電價對收益率的敏感性分析

以表5和6中的數(shù)據(jù)作圖，見圖5。

圖5 敏感性分析圖

從圖5可見，在“發(fā)電模式”的造價和電價中，電價是更為敏感的因素，因此對投資者而言，如何得到一個較高的、有穩(wěn)定預(yù)期的售電價格是項目成敗的關(guān)鍵。

6 總結(jié)

北京是我國分布式發(fā)電中天然氣價格用電價格較高的城市，根據(jù)本文分析，利用SOFC純發(fā)電的方案經(jīng)濟(jì)效益一般，但在商業(yè)場所，采用冷熱電多聯(lián)供的方案已具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在有條件的城市和項目中建議可以進(jìn)行SOFC技術(shù)的先行先試，培育產(chǎn)業(yè)力量，整合產(chǎn)業(yè)鏈資源，力爭在3年～5年內(nèi)使SOFC系統(tǒng)成本大幅度下降，成為重要的分布式能源利用技術(shù)。