加氢站分布式发电及能源综合利用示范研究.pdf
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1、39摘 要:当前我国氢能技术发展及应用尚不成熟,应用产业配套不足,导致氢能业务应用场景单一,难以与新能源市场需求相匹配。研究加氢站分布式发电技术是实现氢能应用场景多元化的重要手段,对提升氢能利用价值具有重大贡献。文章基于政策、市场、技术角度分析了加氢站分布式发电的发展趋势;针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC),从理论技术与实际应用层面对比了其优劣势,阐述了PEMFC分布式能源综合利用系统的工作原理。最后,以某企业加氢站为例,结合市场调研数据,开展项目投资测算及敏感性分析,验证了加氢站PEMFC分布式能源综合利用系统的可行性。关键词:加氢站 燃料电池 分布式发电
2、能源综合利用收稿日期:20230515。作者简介:刘安,硕士研究生,高级经济师,主要研究方向为综合加能站发展、车用新能源(氢能、充换电、光伏)。氢能分布式发电作为氢能多元化应用中的重要一环,具有跨周期储能、快速启动、兼具发电和供热等独特优势,在电力调峰、数据中心、零碳园区(建筑)等领域具有广阔的发展前景。目前,用于分布式发电及热电联供的燃料电池主要有质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)两类1。针对加氢站应用场景缺乏、应用模式单一、普遍难以盈利的现状,创新地提出在加氢站内引入分布式燃料电池发电系统的破局思路,通过燃料电池冷热电联产与汽车充换电、站内用电及供热制冷等应用
3、进行耦合,为构建“加氢站供氢分布式氢能发电能源综合利用”的一体化能源示范微网奠定基础,助力打造加氢站氢能多元化应用的新场景。1加氢站分布式发电趋势分析1.1政策大力支持2022年3月,国家发展改革委、国家能源局共同发布氢能产业发展中长期规划(20212035年),这是我国氢能产业的顶层设计文件,加氢站分布式发电及能源综合利用示范研究刘 安(中国石化销售股份有限公司,北京 100728)明确了氢能的能源属性和战略意义。其中,针对氢能多元化应用进一步提出,因地制宜布局氢燃料电池分布式热电联供设施,推动在社区、园区、矿区、港口等区域内开展氢能源综合利用示范。自此,氢能在分布式发电领域的示范应用得到了
4、国家战略层面的政策支持。随着国家级氢能产业规划的出台,各地纷纷发布了一系列氢能规划和支持政策。据统计,“十四五”期间,北京、天 津、山东、河北、内蒙古等14个省市、自治区,鄂尔多斯、苏州、常熟、宁波、潍坊等40个市发布相关专项政策积极推进氢能热电联供研究及示范应用。1.2市场应用广泛日本通过启动家用燃料电池热电联供(EneFarm)计划,在20052009年推广了3 300套 PETROLEUM&PETROCHEMICAL TODAY2023 年 第 31 卷 第 7 期新能源New Energy 新能源New EnergyN 402023 年第 7 期EneFarm示范装置,2019年Ene
5、Farm系统已实现平价销售2。截至2020年,日本EneFarm项目已部署了超过40万套,并提出将在2030年推广530万套,占日本家庭10%。欧洲与日本的发展思路相似,欧盟通过启动Ene.field示范项目在20122017年累计推广了1 046套3005 000 W的PEMFC及SOFC家用微型热电联供系统。美国和韩国则专注于开发兆瓦级大型燃料电池分布式发电站系统3,作为数据中心或者办公大楼主体或备用电源,主要企业包括Bloom Energy、FuelCell Energy、LG、斗山等。2022年中国新能源汽车销量688.7万辆,渗透率达到25.6%,新能源汽车对传统能源市场的冲击不断加
6、剧,企业能源转型发展需求迫切。中国分布式燃料电池热电联供技术起步较晚,但近年来取得了较大的进步,目前处于小规模示范应用阶段,主要应用在工业园区4。2021年5月,东方氢能公司向华电四川交付100 kW级商用PEMFC冷热电联供系统;2022年8月,潮州三环联合广东能源集团投用了105 kW分布式SOFC热电联供系统,由3台35 kW的SOFC组成,交流发电净效率64.1%,热电联供效率高达91.2%,连续并网发电超过1 000 h。现阶段,氢能分布式发电在住宅社区、工业园区逐步得到应用(见表1)。氢,前2种制氢方式纯度不佳、单位碳排放较高,且成本受原料价格的波动影响较大5;而工业副产氢(氯碱尾
7、气、焦炉尾气、乙烷裂解、丙烷脱氢等)纯度较高、碳排放小、成本最低。此外,利用风力、光伏等可再生能源制绿氢有望成为未来主流,仅内蒙古地区已备案的绿氢项目规模就超过13万吨/年,预计到2025年大量低成本的绿氢将得到应用,开展燃料电池分布式发电具有廉价的氢源保障。不同制氢方式的成本如图1所示。表 1 2022 年我国氢能分布式发电项目应用项目单位项目基本情况上海舜华贵州首套 100 kW PEMFC 热电联供系统投运潍柴动力潍柴首套 30kW SOFC 热电联供系统在潍坊投运潮州三环国内首个百千瓦(105 kW)SOFC 热电联供项目在广东投运大连化物所国内首个兆瓦级 PEMFC 热电联供系统在国
8、网六安投用豫氢动力国网浙江台州大陈岛氢能综合利用示范项目投用,采用“制氢 储氢 燃料电池热电联供”系统国鸿氢能建设榆林科创城氢能分布式发电 热电联供零碳智慧能源中心1.3技术愈发成熟当前,氢能分布式发电技术的推广应用高度依赖于制氢技术的进步和制氢成本的下降。制氢技术路线主要有煤制氢、天然气制氢和工业副产美国能源部(DOE)对美国氢燃料电池成本的预测及国内主流燃料电池系统生产企业预测结果均显示,随着贵金属节约技术、新型膜材料、膜电极成型等技术进步和规模化效应,燃料电池成本将大幅降低(见图2)。图 1 不同制氢方式的成本对比403020100制氢成本(元/kg)煤制氢天然气制氢 工业副产氢绿氢预计
9、到“十四五”末期,我国燃料电池装机量将超过10万台,对应的系统成本将下降至图 2 我国氢燃料电池成本下降趋势预测资料来源:亿华通科技股份有限公司市场规模:企业年产量:燃料电池每单位 输出功率对应价格(元/kW)中国美国20 00010 0004 0001 8001 2605301 000200百万台十万台百台几十台千台百台万台千台十万台万台目前刘 安.加氢站分布式发电及能源综合利用示范研究新能源 412023 年第 7 期1 000元/kW,用于分布式发电领域的PEMFC及SOFC成本也将大幅下降。2PEMFC 分布式能源综合利用系统2.1PEMFC 与 SOFC 技术与成本对比在加氢站内开展
10、燃料电池分布式发电及能源综合利用,需重点关注发电功率、发电效率、热电效率、运行条件(温度、占地面积等)、启停时间、使用寿命、设备成本等因素。根据对国内外主流产品指标的调研,对比PEMFC与SOFC技术路线(见表2)。SOFC余热品位好、燃料范围广(氢气、天然气、生物质气等),且不需要贵金属催化剂,但设备成本较高,需要较高的热源匹配。2.3PEMFC 分布式能源综合利用系统工作原理以纯氢作为原料的PEMFC冷热电联供系统主要由核心的PEMFC燃料电池单元、电力电子单元直流变换电源模块(DC/DC)、直流交流变换电源模块(DC/AC)整流器等及余热利用单元(热泵等)组成(见图3)。PEMFC分布式
11、能源综合利用系统的工作原理包含以下3个步骤:1)高纯氢气来源于站外输氢管道(23 MPa)或长管拖车(20 MPa),经减压阀降低压力(0.1 0.3 MPa)后,供给PEMFC电堆系统,并与空气中的氧气发生电化学反应,产生直流电、低品位热和纯水。发电效率为50%60%,余热温度为50100。2)电堆所发的直流电经DC/DC整流后可直接供大功率直流充电桩,优先用于电动汽车快速充电。在无充电需求的用电高峰期内,也可以经DC/AC整流变成交流电供站内设备设施使用。3)低品位余热既可用于加热水,也可通过热泵转化为高品位热,在冬季代替空调为整站供暖,或通过热泵制冷后在夏季高峰期代替空调供冷,或用于直流
12、充电桩快充过程的降温。3能源综合利用项目投资测算及敏感性分析3.1基本假设1)系统配置:PEMFC发电功率240 kW,额定发电效率55%(即1 kg氢气可发电18 kWh),热电联供总效率90%,热泵额定功率30 kW,2台表 2 PEMFC 与 SOFC 技术路线对比指标PEMFC 技术SOFC 技术燃料种类氢气(99.97%)氢气、天然气等系统功率/kW 200国外 300,国内 30100发电效率,%506060热电总效率,%909590运行温度/601005001 000启停时间/h0.10.2 5.010.0寿命/h 30 000 80 000 成本(万元/kW)0.40.5 3.
13、0环保性能零排放有污染物排放综合对比来看,PEMFC单套系统发电功率大(200 kW以上)、热电综合效率高(90%95%)、运行温度低、启停时间短、设备成本低(不足SOFC的1/6)、无污染物排放,且国内产品技术成熟度高、可靠性好。2.2分布式发电及热电联供的燃料电池分析应用PEMFC和SOFC的代表性企业为日本松下和爱信精机,其EneFarm项目燃料电池性能对比如表3所示。可以看出,PEMFC技术相对更加成熟,综合性能较强,因此PEMFC系统更适合作为加氢站分布式发电的技术方案。采用石墨板的PEMFC系统输出功率高(可达700 W以上)、运行温度低(7090)、运行寿命更长(10年以上),适
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