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燃料電池分布式發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)的全球發(fā)展現(xiàn)狀
分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)直接向終端用戶提供，與傳統(tǒng)的集中生產(chǎn)、運(yùn)輸、終端消費(fèi)均可使用方式相比，分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)直接向不同能源類別的用戶提供，最大限度地降低運(yùn)輸成本，有效利用余熱發(fā)電過程。從而提高能源效率。燃料電池分布式發(fā)電具有效率高、噪音低、體積小、排放低的優(yōu)點(diǎn)。適用于距離用戶較近的千瓦~兆瓦級分布式發(fā)電系統(tǒng)。其主要應(yīng)用領(lǐng)域是微型分布式熱電聯(lián)產(chǎn)、大型分布式電站或熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。目前質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)技術(shù)已成功應(yīng)用于家庭分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和中小型分布式電站。
2019年，全球固定燃料電池出貨量為221MW，占燃料電池總出貨量的19.6%。固定式燃料電池已連續(xù)4年銷售5萬多臺，裝機(jī)容量超過200MW。在機(jī)組出貨量方面，主要是小型國產(chǎn)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備，而大型固定商用分布式發(fā)電設(shè)備是裝機(jī)容量的主要貢獻(xiàn)者。
日本是全球最大的微型分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)市場。日本國產(chǎn)燃料電池EnE-FARM項(xiàng)目是世界上最大的微型燃料電池分布式電站示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目始于2009年。本系統(tǒng)采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式。該項(xiàng)目從前期研發(fā)到示范推廣得到了日本政府的大力支持。
如產(chǎn)品的初始價(jià)格為303萬日元，日本政府補(bǔ)貼每臺140萬日元，相當(dāng)于制造成本的一半。隨著銷量的增加和技術(shù)的進(jìn)步，制造成本逐漸下降，補(bǔ)貼逐漸減少。截至2019年，約32萬戶日本家庭購買了enE-Farm系統(tǒng)，主機(jī)平均價(jià)格降至不到100萬日元。過去10年里，價(jià)格已下跌約70%，政府補(bǔ)貼已降至8萬日元的SOFC。政府計(jì)劃到2020年部署總計(jì)140萬個國內(nèi)燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并完全取消補(bǔ)貼。實(shí)際上，這個目標(biāo)在很大程度上是無法實(shí)現(xiàn)的。
與SOFC相比，PEMFC在總安裝單元中所占的份額要大得多，這主要是因?yàn)镾OFC的成本在早期要高得多，并且隨著SOFC成本的迅速下降而增加。目前，由于氫氣純度高，運(yùn)輸困難，成本高，近90%的產(chǎn)品使用城市天然氣，10%使用液化石油氣(LPG)作為燃料。在操作過程中，燃料在內(nèi)部轉(zhuǎn)化為合成氣。質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)一步提純成高純度的氫，然后送入燃料電池發(fā)電。由此產(chǎn)生的熱水用于家庭洗浴和地暖。經(jīng)過多年的研發(fā)投入，其技術(shù)參數(shù)得到了迅速的提高，松下700W PEM熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)累計(jì)銷量占日本市場的一半，并已發(fā)展到第五代，發(fā)電系統(tǒng)效率可達(dá)39%，使用壽命也從原來的70000h提高到90000h，機(jī)組成本已降至接近800000日元的目標(biāo)價(jià)格，政府不再補(bǔ)貼;SOFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)雖然相對昂貴，但目前發(fā)電量占總發(fā)電量的52%，使用壽命超過4萬小時。在年銷售額方面，愛新的SOFC與松下的PEMFC系統(tǒng)并駕齊驅(qū)。
近年來，除了家用微系統(tǒng)外，日本也開始了燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)在商業(yè)建筑領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。2018年底，松下發(fā)布了一款基于pemfc的5kW氫燃料電池動力系統(tǒng)，電效率為57%。東芝推出了H2Rex系列系統(tǒng)，范圍從700W到3.5kW到100kW(使用多個3.5kW模塊)，適用于小型商業(yè)應(yīng)用，如零售商店和酒店。2019年6月，日本三浦公司宣布將于10月推出FC5B，這是一種與英國CeresPower公司合作開發(fā)的4.2kW熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品，用于商業(yè)建筑領(lǐng)域，發(fā)電效率為50%，熱電聯(lián)產(chǎn)效率為90%。
與主要專注于微型系統(tǒng)的日本不同，美國和韓國一直專注于開發(fā)功率從100千瓦到兆瓦的大型分布式燃料電池電站。得益于創(chuàng)新機(jī)制的激勵和政策支持，大型固定燃料電池分布式電站在美國的應(yīng)用發(fā)展最為迅速。BloomEnergy為客戶提供從200kW到1MW的分布式電源解決方案。系統(tǒng)初始發(fā)電效率高達(dá)53%~65%。截至2020年上半年，Bloom已在全球部署和運(yùn)營近500MW發(fā)電系統(tǒng)，在過去10年里發(fā)電量超過160億千瓦時。沃爾瑪(Wal-mart)、宜家(IKEA)、梅西百貨(Macy's)、摩根士丹利(Morgan Stanley)、國防部(DEPARTMENT of Defense)等商場和寫字樓，以及美國電話電報(bào)公司(AT&T)、聯(lián)邦快遞(Fedex)等移動基站和配電中心，提供數(shù)百千瓦的24小時不間斷分布式電力供應(yīng)。FuelCellEnergy在2019年經(jīng)歷了“生死考驗(yàn)”，主要生產(chǎn)100千瓦SOFC系統(tǒng)和兆瓦M(jìn)CFC分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，在全球安裝分布式電廠設(shè)備超過300MW。
韓國在推進(jìn)大規(guī)模燃料電池分布式發(fā)電站的同時，主要通過收購或共同開發(fā)，從北美和歐洲獲得了先進(jìn)技術(shù)。2012年，LG收購羅爾斯-羅伊斯燃料電池系統(tǒng)項(xiàng)目，成立LG燃料電池系統(tǒng)公司，致力于250kW~20MW SOFC分布式發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)和推廣。該公司演示了一個200kW的天然氣加壓SOFC系統(tǒng)，直流發(fā)電效率為60%。浦項(xiàng)制鐵能源通過收購FuelCellEnergy的股份，在國內(nèi)建設(shè)了18個商用燃料電池發(fā)電廠，總發(fā)電量為170MW。最大的單一發(fā)電站是位于京畿道華城的58MW燃料電池發(fā)電站。斗山集團(tuán)FuelCell以FuelCell技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了從發(fā)電到住宅的完整產(chǎn)品線。主要產(chǎn)品包括600W、1kW、5kW和10kW的商用和家用PEMFC燃料電池，以及400kW的工業(yè)和商用磷酸燃料電池(PAFC)。發(fā)電效率42%，熱效率52%，全球累計(jì)銷售數(shù)百套產(chǎn)品，累計(jì)發(fā)電20億千瓦時。
燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)在我國的應(yīng)用尚處于研究階段。一些機(jī)構(gòu)已經(jīng)推出了基于各種燃料電池類型的發(fā)電系統(tǒng)。中科院大連化合物研究所研制的10kWPEMFC分布式發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了天然氣改造的PEMFC熱電聯(lián)產(chǎn)。大型發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)開發(fā)還處于探索階段，一般還停留在小原型的研發(fā)和演示階段，2020年10月，國家能源集團(tuán)研發(fā)的第一套20kW級SOFC發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)成功。
燃料電池分布式發(fā)電的經(jīng)濟(jì)分析
燃料電池是分布式電站應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，其市場推廣速度與發(fā)電成本密切相關(guān)。在不考慮政策補(bǔ)貼的情況下，發(fā)電成本主要由燃料成本和設(shè)備折舊成本構(gòu)成。
上表顯示了中國、日本和美國的典型住宅和商業(yè)電力和天然氣價(jià)格。在美國，大規(guī)模分布式發(fā)電是常態(tài)，電力和天然氣價(jià)格都很低。根據(jù)目前大型SOFC發(fā)電系統(tǒng)成本為3萬元/千瓦，效率計(jì)算為55%，以天然氣為原料(下同)，SOFC發(fā)電燃料成本和折舊成本約為0.3元/千瓦時和0.5元/千瓦時。無維護(hù)總發(fā)電成本約為0.8元/kWh，與工商業(yè)用戶購電成本基本相同。若能有效利用熱量，則熱值約為0.1元/kWh，如圖2所示。考慮到聯(lián)邦和州政府對燃料電池分布式電站可以提供可再生能源配額、投資基金補(bǔ)貼、稅收減免和安裝(如加州，使用天然氣和生物質(zhì)氣化燃料電池分布式發(fā)電廠提供600美元/千瓦和補(bǔ)貼1200美元/千瓦)方面的政策支持,所以即使考慮維護(hù)成本,目前,它有一定的經(jīng)濟(jì),一些大型企業(yè)用戶也更熱衷于演示應(yīng)用程序。在中間(2030年)和長期(2040 - 2050),隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模擴(kuò)張,固體氧化物燃料電池系統(tǒng)成本達(dá)到顯著下降,假設(shè)它們減少到12000元/千瓦,8000元/千瓦,發(fā)電效率提高60%和65%,同時天然氣價(jià)格,發(fā)電成本預(yù)計(jì)分別降至0.44元/千瓦和0.37元/千瓦時左右，遠(yuǎn)低于工商業(yè)用戶電價(jià)。即使天然氣中長期價(jià)格在目前基礎(chǔ)上翻一番，發(fā)電成本仍將低于0.8元/千瓦時，顯示出良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。雖然面臨著與分布式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的競爭，但后者由于設(shè)備成本較低，具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢;而分布式燃料電池電站具有模塊化性能強(qiáng)、場景自適應(yīng)性能好、可擴(kuò)展性好、無污染、噪聲小、可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)。它不僅可以作為主電網(wǎng)的補(bǔ)充，還可以作為島嶼、山區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立發(fā)電的主要電源。因此，分布式SOFC系統(tǒng)有望在未來的美國工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)一定規(guī)模的應(yīng)用。
美國近期、中期和長期分布式燃料電池系統(tǒng)在工商業(yè)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性分析
日本居民用電價(jià)格明顯高于工業(yè)和商業(yè)用電價(jià)格，是中國的3倍以上。居民燃?xì)鈨r(jià)格也比中國高得多?；谀壳靶⌒蚉EMFC和SOFC的銷售價(jià)格，假設(shè)發(fā)電效率分別為39%和52%，壽命分別為9萬和6萬小時，整個壽命下的折舊成本分別為0.9元/kWh和1.67元/kWh。如果天然氣價(jià)格分別以8.7元/m3計(jì)算，不考慮維護(hù)費(fèi)用，每千瓦時的燃料成本高達(dá)3元/千瓦時和2.2元/千瓦時。不考慮熱值，千瓦時的成本至少為3.9元/千瓦時，如圖3所示，遠(yuǎn)高于日本的居民電價(jià)。因此，如果單獨(dú)考慮發(fā)電，就沒有經(jīng)濟(jì)效益。如果將熱電聯(lián)產(chǎn)加熱部分的值進(jìn)行折算，發(fā)電成本將分別降低到2.6元/kWh和3.2元/kWh，與電網(wǎng)成本的差距將大大縮小。與此同時，日本燃?xì)夤緦⑾蛸徺IENE-Farm產(chǎn)品的用戶提供一定的天然氣價(jià)格折扣。無論燃料電池是否使用天然氣，所有家庭使用的天然氣都可以享受enE-Farm套餐價(jià)格。居民電價(jià)和燃?xì)鈨r(jià)格較高，加上政府和企業(yè)的政策支持，使得日本的小型發(fā)電系統(tǒng)有可能在大范圍內(nèi)推廣。但同時，使用燃料電池系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢并不突出，這也是其市場增長率與政府預(yù)期相差較大的一個重要原因。
日本近期、中期和長期分布式燃料電池系統(tǒng)在居民和工商業(yè)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性分析
隨著市場的不斷擴(kuò)大，PEMFC和SOFC系統(tǒng)的成本將繼續(xù)下降。中長期來看，PEMFC和SOFC系統(tǒng)的成本將分別降至2.3元/千瓦時和1.8元/千瓦時左右。發(fā)電的成本將接近并低于電網(wǎng)的成本。考慮到熱元件的價(jià)值，燃料電池系統(tǒng)可以在近期和中期實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益。相比之下，PEMFC系統(tǒng)在發(fā)電方面的效率比SOFC系統(tǒng)低，但如果完全包括熱量，兩者的綜合效益差別不大。
雖然日本的大功率分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品不多，但在工業(yè)和商業(yè)建筑領(lǐng)域尚未得到推廣。但如果參照美國的高性能分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)并進(jìn)行性能分析，產(chǎn)品成本中SOFC系統(tǒng)的發(fā)電成本降低到1.3元/千瓦時，低于工商業(yè)電價(jià)，考慮到大約有0.3元/千瓦時熱值，因此從長期來看，日本SOFC系統(tǒng)具有大規(guī)模推廣的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
由于沒有成熟的產(chǎn)品分布在中國推出燃料電池發(fā)電系統(tǒng),促進(jìn)分布式燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)在中國預(yù)計(jì)的成本和性能指標(biāo)指的商業(yè)化產(chǎn)品在日本和美國,如圖4所示。對于小型燃料電池發(fā)電系統(tǒng),當(dāng)前千瓦級的每度電成本系統(tǒng)將在中國高達(dá)1.8元/千瓦時,并將減少到1.0元/千瓦時,0.7元/千瓦時分別在中長期,仍明顯高于終端家庭電價(jià),而從發(fā)電收益中回收投資顯然是困難的。若包括熱值，中長期綜合發(fā)電成本可分別降至0.68元/kWh和0.51元/kWh左右，逐步接近并基本等同于終端居民電價(jià)，從經(jīng)濟(jì)角度來看仍無明顯優(yōu)勢。
對于大型燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)，由于單位投資成本較低，根據(jù)國外成熟產(chǎn)品價(jià)格和國內(nèi)工商業(yè)氣價(jià)格，SOFC發(fā)電成本約為1.3元/kWh，仍遠(yuǎn)高于目前全國工商平均電價(jià)0.7元/千瓦時。中長期內(nèi)，發(fā)電成本將分別降至0.8元/千瓦時左右和0.65元/千瓦時左右，逐步逼近并低于目前的工商業(yè)平均電價(jià)。如果能充分利用熱值，SOFC系統(tǒng)在中期具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。長期來看，在進(jìn)一步考慮熱值后，大型SOFC分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將顯示出顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，前提是工業(yè)和商業(yè)用戶的電力成本保持在當(dāng)前水平。
結(jié)論和建議
(一)日本和美國分別在小規(guī)模和大規(guī)模分布式燃料電池發(fā)電技術(shù)和推廣規(guī)模上處于領(lǐng)先地位。根據(jù)預(yù)測,燃料電池系統(tǒng)的成本將大大降低,效率將會提高,大規(guī)模分布式燃料電池系統(tǒng)在美國和日本很快將獲得市場競爭力(約2030),和有條件在中期和長期大規(guī)模的市場推廣?？紤]到它們的熱值，小型分布式燃料電池系統(tǒng)在日本也將逐漸具有競爭力。
(2)基于居民和工商業(yè)的國內(nèi)電價(jià)水平，小型分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在我國將難以長期具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢;對于大型的工業(yè)和商業(yè)分布式燃料電池系統(tǒng)，只有在長期，特別是在考慮熱值的長期，大型分布式CHP系統(tǒng)才能顯示出明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。更高的發(fā)電成本和更低的電價(jià)將是燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)入中國市場的主要障礙。
(c)在“碳中和”的目標(biāo)下，分布式燃料電池系統(tǒng)將是中國建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的重要途徑，特別是在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域，大型分布式燃料電池系統(tǒng)將逐漸顯示出經(jīng)濟(jì)競爭力。目前，我國分布式燃料電池系統(tǒng)技術(shù)仍處于研發(fā)階段，與國際先進(jìn)水平存在較大差距。因此，有必要不斷縮小與國際先進(jìn)技術(shù)和行業(yè)水平的差距，大幅降低燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的成本，為示范應(yīng)用和大規(guī)模推廣創(chuàng)造條件。
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