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燃料電池分布式發(fā)電和熱電聯(lián)產的全球發(fā)展現(xiàn)狀
分布式熱電聯(lián)產系統(tǒng)直接向終端用戶提供，與傳統(tǒng)的集中生產、運輸、終端消費均可使用方式相比，分布式能源供應系統(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。適用于距離用戶較近的千瓦~兆瓦級分布式發(fā)電系統(tǒng)。其主要應用領域是微型分布式熱電聯(lián)產、大型分布式電站或熱電聯(lián)產系統(tǒng)。目前質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)技術已成功應用于家庭分布式熱電聯(lián)產系統(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，裝機容量超過200MW。在機組出貨量方面，主要是小型國產熱電聯(lián)產設備，而大型固定商用分布式發(fā)電設備是裝機容量的主要貢獻者。
日本是全球最大的微型分布式熱電聯(lián)產系統(tǒng)市場。日本國產燃料電池EnE-FARM項目是世界上最大的微型燃料電池分布式電站示范項目。該項目始于2009年。本系統(tǒng)采用熱電聯(lián)產方式。該項目從前期研發(fā)到示范推廣得到了日本政府的大力支持。
如產品的初始價格為303萬日元，日本政府補貼每臺140萬日元，相當于制造成本的一半。隨著銷量的增加和技術的進步，制造成本逐漸下降，補貼逐漸減少。截至2019年，約32萬戶日本家庭購買了enE-Farm系統(tǒng)，主機平均價格降至不到100萬日元。過去10年里，價格已下跌約70%，政府補貼已降至8萬日元的SOFC。政府計劃到2020年部署總計140萬個國內燃料電池熱電聯(lián)產系統(tǒng)，并完全取消補貼。實際上，這個目標在很大程度上是無法實現(xiàn)的。
與SOFC相比，PEMFC在總安裝單元中所占的份額要大得多，這主要是因為SOFC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，運輸困難，成本高，近90%的產品使用城市天然氣，10%使用液化石油氣(LPG)作為燃料。在操作過程中，燃料在內部轉化為合成氣。質子交換膜燃料電池進一步提純成高純度的氫，然后送入燃料電池發(fā)電。由此產生的熱水用于家庭洗浴和地暖。經過多年的研發(fā)投入，其技術參數(shù)得到了迅速的提高，松下700W PEM熱電聯(lián)產系統(tǒng)累計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39%，使用壽命也從原來的70000h提高到90000h，機組成本已降至接近800000日元的目標價格，政府不再補貼;SOFC熱電聯(lián)產系統(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。
近年來，除了家用微系統(tǒng)外，日本也開始了燃料電池熱電聯(lián)產系統(tǒng)在商業(yè)建筑領域的應用和推廣。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)產產品，用于商業(yè)建筑領域，發(fā)電效率為50%，熱電聯(lián)產效率為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53%~65%。截至2020年上半年，Bloom已在全球部署和運營近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。FuelCellEnergy在2019年經歷了“生死考驗”，主要生產100千瓦SOFC系統(tǒng)和兆瓦MCFC分布式熱電聯(lián)產系統(tǒng)，在全球安裝分布式電廠設備超過300MW。
韓國在推進大規(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技術。2012年，LG收購羅爾斯-羅伊斯燃料電池系統(tǒng)項目，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%。浦項制鐵能源通過收購FuelCellEnergy的股份，在國內建設了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FuelCell以FuelCell技術為基礎，構建了從發(fā)電到住宅的完整產品線。主要產品包括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%，全球累計銷售數(shù)百套產品，累計發(fā)電20億千瓦時。
燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)在我國的應用尚處于研究階段。一些機構已經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)，實現(xiàn)了天然氣改造的PEMFC熱電聯(lián)產。大型發(fā)電系統(tǒng)的相關開發(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，國家能源集團研發(fā)的第一套20kW級SOFC發(fā)電系統(tǒng)試驗成功。
燃料電池分布式發(fā)電的經濟分析
燃料電池是分布式電站應用領域的一項新興技術，其市場推廣速度與發(fā)電成本密切相關。在不考慮政策補貼的情況下，發(fā)電成本主要由燃料成本和設備折舊成本構成。
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、投資基金補貼、稅收減免和安裝(如加州，使用天然氣和生物質氣化燃料電池分布式發(fā)電廠提供600美元/千瓦和補貼1200美元/千瓦)方面的政策支持,所以即使考慮維護成本,目前,它有一定的經濟,一些大型企業(yè)用戶也更熱衷于演示應用程序。在中間(2030年)和長期(2040 - 2050),隨著技術的進步和規(guī)模擴張,固體氧化物燃料電池系統(tǒng)成本達到顯著下降,假設它們減少到12000元/千瓦,8000元/千瓦,發(fā)電效率提高60%和65%,同時天然氣價格,發(fā)電成本預計分別降至0.44元/千瓦和0.37元/千瓦時左右，遠低于工商業(yè)用戶電價。即使天然氣中長期價格在目前基礎上翻一番，發(fā)電成本仍將低于0.8元/千瓦時，顯示出良好的經濟優(yōu)勢。雖然面臨著與分布式燃氣輪機發(fā)電的競爭，但后者由于設備成本較低，具有一定的經濟優(yōu)勢;而分布式燃料電池電站具有模塊化性能強、場景自適應性能好、可擴展性好、無污染、噪聲小、可持續(xù)性等優(yōu)點。它不僅可以作為主電網(wǎng)的補充，還可以作為島嶼、山區(qū)和偏遠地區(qū)獨立發(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)領域實現(xiàn)一定規(guī)模的應用。
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)電經濟性分析
日本居民用電價格明顯高于工業(yè)和商業(yè)用電價格，是中國的3倍以上。居民燃氣價格也比中國高得多。基于目前小型PEMFC和SOFC的銷售價格，假設發(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。如果天然氣價格分別以8.7元/m3計算，不考慮維護費用，每千瓦時的燃料成本高達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，遠高于日本的居民電價。因此，如果單獨考慮發(fā)電，就沒有經濟效益。如果將熱電聯(lián)產加熱部分的值進行折算，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，日本燃氣公司將向購買ENE-Farm產品的用戶提供一定的天然氣價格折扣。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套餐價格。居民電價和燃氣價格較高，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)有可能在大范圍內推廣。但同時，使用燃料電池系統(tǒng)的經濟優(yōu)勢并不突出，這也是其市場增長率與政府預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)電經濟性分析
隨著市場的不斷擴大，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。考慮到熱元件的價值，燃料電池系統(tǒng)可以在近期和中期實現(xiàn)更好的經濟效益。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)產品不多，但在工業(yè)和商業(yè)建筑領域尚未得到推廣。但如果參照美國的高性能分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)并進行性能分析，產品成本中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，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)模推廣的經濟優(yōu)勢。
由于沒有成熟的產品分布在中國推出燃料電池發(fā)電系統(tǒng),促進分布式燃料電池熱電聯(lián)產系統(tǒng)的經濟在中國預計的成本和性能指標指的商業(yè)化產品在日本和美國,如圖4所示。對于小型燃料電池發(fā)電系統(tǒng),當前千瓦級的每度電成本系統(tǒng)將在中國高達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,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，從經濟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)國外成熟產品價格和國內工商業(yè)氣價格，SOFC發(fā)電成本約為1.3元/kWh，仍遠高于目前全國工商平均電價0.7元/千瓦時。中長期內，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。如果能充分利用熱值，SOFC系統(tǒng)在中期具有經濟優(yōu)勢。長期來看，在進一步考慮熱值后，大型SOFC分布式熱電聯(lián)產系統(tǒng)將顯示出顯著的經濟優(yōu)勢，前提是工業(yè)和商業(yè)用戶的電力成本保持在當前水平。
結論和建議
(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)電技術和推廣規(guī)模上處于領先地位。根據(jù)預測,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。考慮到它們的熱值，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)的國內電價水平，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濟優(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濟優(yōu)勢。更高的發(fā)電成本和更低的電價將是燃料電池熱電聯(lián)產系統(tǒng)進入中國市場的主要障礙。
(c)在“碳中和”的目標下，分布式燃料電池系統(tǒng)將是中國建筑領域實現(xiàn)碳減排的重要途徑，特別是在工業(yè)和商業(yè)領域，大型分布式燃料電池系統(tǒng)將逐漸顯示出經濟競爭力。目前，我國分布式燃料電池系統(tǒng)技術仍處于研發(fā)階段，與國際先進水平存在較大差距。因此，有必要不斷縮小與國際先進技術和行業(yè)水平的差距，大幅降低燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的成本，為示范應用和大規(guī)模推廣創(chuàng)造條件。
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