于蓬 魏添 劉清國 王健 尹延峰

摘 要：以燃料電池為核心的熱電聯(lián)供是一種高效環(huán)保的分布式清潔供暖方式，越來越多國家與地區(qū)開始關(guān)注，在國內(nèi)尚屬新鮮事物。首先，以山東省為例，對其發(fā)展規(guī)劃所提到的清潔供暖方式，了解其含義及優(yōu)缺，并從成本、安全性、效果/效率、壽命、規(guī)模、應(yīng)用領(lǐng)域六方面進(jìn)行對比分析;其次，闡述分布式能源的含義、特點(diǎn)及分類，明確燃料電池?zé)犭娐?lián)供是清潔供暖與分布式能源的良好結(jié)合體;最后，從耗煤量、耗天然氣量及費(fèi)用節(jié)約三個方面對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能性分析。分析結(jié)果為今后搭建及優(yōu)化系統(tǒng)、建模理論分析提供了一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：清潔供暖;分布式能源;熱電聯(lián)供;節(jié)能分析

中圖分類號：TK91 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-04-05

Abstract： The CHP with fuel cell as the core is an efficient and environmentally-friendly distributed clean heating method， which has been favored by more and more countries and regions. It is still a new thing in China. First of all， take a province as an example to understand the meaning and advantages and disadvantages of the clean heating mode mentioned in its development plan， and make a comparative analysis from six aspects of cost， safety， effect / efficiency， life span， scale and application field; secondly， describe the meaning， characteristics and classification of distributed energy， and make it clear that fuel cell cogeneration is a good combination of clean heating and distributed energy. Finally， the energy-saving analysis of fuel cell cogeneration system is made from three aspects： coal consumption， natural gas consumption and cost saving. The analysis results provide some guidance for the future construction and optimization of the system and the theoretical analysis of modeling.

Keywords： Clean heating; Distributed energy; Combined heat and power; Energy efficiency analysis

前言

近年來，氣候異常、霧霾等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，這些環(huán)境問題與人類生活的供暖方式緊密聯(lián)系密切相關(guān)[1]。各省人民政府推進(jìn)新舊動能轉(zhuǎn)換，加快新能源產(chǎn)業(yè)與推廣應(yīng)用，推崇清潔供暖方式，積極發(fā)展電能供熱、地?zé)崮芄?、生物質(zhì)能供熱、太陽能供熱、核能供熱、及氫能供熱（熱電聯(lián)供）多種清潔供熱方式，加快供熱領(lǐng)域可再生能源對化石能源的替代[2]。而分布式能源是指分布在用戶端的能源利用系統(tǒng)，能夠在消費(fèi)地點(diǎn)發(fā)電，利用發(fā)電的能量生產(chǎn)新的熱和電的新型供能方式，是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要組成[3]。改革供暖方式，探索綠色供暖模式，是值得深入研究的關(guān)鍵問題[4]。由此可見，改進(jìn)傳統(tǒng)能源利用方式，探索清潔供暖等新型能源利用技術(shù)顯得尤為重要[5]。而熱電聯(lián)供作為綠色清潔供暖方式和分布式能源系統(tǒng)雙方的優(yōu)選，受到了各個國家和地區(qū)的廣泛關(guān)注，特別是以燃料電池為熱機(jī)類型的分布式熱電聯(lián)供，日本先推出以燃料電池為核心的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，整體系統(tǒng)效率達(dá)90%以上[6]。

1 清潔供暖概述

積極發(fā)展多種清潔供熱方式，主要包括電能供熱、地?zé)崮芄?、生物質(zhì)能供熱、太陽能供熱、核能供熱及氫能供熱（熱電聯(lián)供），能夠?qū)崿F(xiàn)供熱資源和形式的多元化、靈活性。電能供熱是將清潔的電能轉(zhuǎn)換為熱能的環(huán)保的供暖方式。按照均勻性及受熱面積分為點(diǎn)式供暖（空調(diào)、電熱扇、輻射板等）、線式供暖（發(fā)熱電纜等）、面式供暖（電熱膜等）。地?zé)崮芄崾且缘責(zé)崮転橹饕獰嵩吹墓嵯到y(tǒng)。地?zé)峁岚凑盏責(zé)崃鬟M(jìn)入供熱系統(tǒng)的方式可分為直接供熱和間接供熱。直接供熱是指把地?zé)崃髦苯右牍嵯到y(tǒng)，間接供熱是指地?zé)崃鞑恢苯舆M(jìn)入供熱系統(tǒng)，而是通過換熱器將熱能傳遞給供熱系統(tǒng)的循環(huán)水。生物質(zhì)能供熱是能夠替代燃煤供熱的綠色低碳型可再生能源供熱方式。生物質(zhì)能供熱主要包括生物質(zhì)鍋爐供熱和生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)，主要在農(nóng)村冬季使用。太陽能供熱是一種利用太陽能集熱器將太陽輻射收集起來并轉(zhuǎn)化為熱能用于供暖的技術(shù)。核能供熱是以核裂變產(chǎn)生的能量為熱源的城市集中供熱方式。氫能供熱（熱電聯(lián)供）是將供暖供熱及發(fā)電過程一體化的總能系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)就是能源的梯級利用。這里指的熱電聯(lián)供是以燃料電池作為動力驅(qū)動裝置。燃料電池是把氫氧反應(yīng)生成水產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。發(fā)電效率達(dá)40%以上，熱電聯(lián)產(chǎn)的效率達(dá)到80%以上。氫能供熱（熱電聯(lián)供）節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性高、安全可靠，是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ墓┡绞健Ｄ壳?，在日本已?jīng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用。表1為各類清潔供熱的優(yōu)缺分析。

2 清潔供暖定量比較分析

前述定性描述了六種清潔供熱方式的優(yōu)缺，下面進(jìn)一步從成本、安全性、效果/效率、壽命、規(guī)模、應(yīng)用領(lǐng)域六方面進(jìn)行定量比較。

2.1 成本方面

電能供熱：電熱膜供熱建設(shè)成本160元/m2，一個供暖季度2000元左右;地?zé)崮芄幔荷顚拥責(zé)岢跬顿Y為8500元/kW，深層地?zé)徇\(yùn)行成本為20元/GJ;生物質(zhì)能供熱：生物質(zhì)能供熱成本較高，但運(yùn)行成本低;太陽能供熱：初投資210元/平方米，平均每年每平方米的運(yùn)行成本3元;核能供熱：低溫核供熱堆初投資為3250元/kW，低溫核供熱堆運(yùn)行成本為8元/GJ。

2.2 安全性方面

電能供熱容易發(fā)生電傷，安全性差且有輕微輻射;地?zé)崮馨踩煽?，對建筑地基無影響，但可能會引起地面的沉降;核能供熱固有安全性好，但公眾接受度低，存在安全隱患;太陽能供熱、生物質(zhì)能供熱與氫能供熱（熱電聯(lián)供）的安全性較好。優(yōu)先排列為：電能供熱>地?zé)崮芄?核能供熱>太陽能供熱>生物質(zhì)能供熱>氫能供熱（熱電聯(lián)供）。

2.3 效果/效率方面

電能供熱供暖效果好采暖率高，電熱地膜供暖系統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)換率高達(dá)98.68%;家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合效率超過85%;核能供熱的供暖效果依靠距離，輸送距離近的情況下供暖效果較好;地?zé)崮茉蠢眯瘦^高，地源熱泵能夠帶出較驅(qū)動能2.5倍的地?zé)崮?，但對電能的依賴過高;生物質(zhì)能清潔供暖主要在縣級或鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村，范圍比較集中，供暖效果難以充分體現(xiàn);太陽能分散，不穩(wěn)定，效率低，太陽能行業(yè)普遍能夠達(dá)到的太陽能熱水系統(tǒng)效率為33%左右。優(yōu)先排列為：電能供熱>氫能供熱（熱電聯(lián)供）>核能供熱>地?zé)崮芄?生物質(zhì)能供熱>太陽能供熱。

2.4 壽命方面

地?zé)崮芄釅勖L可與建筑壽命相當(dāng);核能供熱壽命達(dá)60年;太陽能供熱壽命在15-20年;電能供熱壽命在10-20年;熱電聯(lián)供的壽命在10年左右;生物質(zhì)能供熱壽命在5-10年。優(yōu)先排列為：地?zé)崮芄?核能供熱>太陽能供熱>電能供熱>氫能供熱（熱電聯(lián)供）>生物質(zhì)能供熱。

2.5 規(guī)模方面

以山東省為例，電能供熱：到2022年，全省電能取暖面積達(dá)到3億平方米以上。生物質(zhì)能供熱：到2022年，全省生物質(zhì)能供暖面積達(dá)到1.5億平方米左右。地?zé)崮芄幔旱?022年，全省地?zé)崮苋∨娣e達(dá)到7000萬平方米左右。太陽能供熱：到2022年，全省“太陽能+其他”清潔能源取暖面積達(dá)到500萬平方米左右。核能供熱：未標(biāo)明規(guī)劃建設(shè)規(guī)模，但核能供熱有兩種方式，一種為低溫核供熱，即單個模塊供熱能力在200MW左右，與400萬平米供熱面積、10萬人口規(guī)模的城市或縣鎮(zhèn)相對應(yīng);另一種是核電熱電聯(lián)產(chǎn)，單臺1100Mwe機(jī)組供熱能力超過2000MW，供熱面積逾5000萬平米，對應(yīng)125萬人口規(guī)模的城市。熱電聯(lián)供：目前主要在日本、歐洲、美國等地發(fā)展，后期在國內(nèi)發(fā)展?jié)摿薮蟆?yōu)先排列為：電能供熱>生物質(zhì)能供熱>地?zé)崮芄?太陽能供熱>核能供熱>氫能供熱（熱電聯(lián)供）。

2.6 應(yīng)用領(lǐng)域方面

電能供熱現(xiàn)階段較普遍，主要應(yīng)用于建筑、工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)、家用等方面;地?zé)崮芄釕?yīng)用于平均地溫梯度大于2.5℃/100 m，允許鉆地?zé)峋牡貐^(qū)，集中供應(yīng)生活熱水市場的城鎮(zhèn)住宅、工業(yè)區(qū);生物質(zhì)能供熱適合城鎮(zhèn)民用清潔供暖以及替代中小型工業(yè)燃煤燃油鍋爐;太陽能供熱適用于企業(yè)、工廠、院校、醫(yī)院、社區(qū)、游泳池等陽光資源良好且需供暖的區(qū)域;核能供熱適用于城市近郊或遠(yuǎn)離居民區(qū)的地點(diǎn);熱電聯(lián)供市場的成功范例主要集中在日本、歐洲、美國等地，主要用于賓館、醫(yī)院以及居民小區(qū)等區(qū)域。

3 分布式能源

分布式能源系統(tǒng)是指按用戶的需求就地生產(chǎn)并供應(yīng)能量，直接面向用戶，具有多種功能，可獨(dú)立運(yùn)行，也可并網(wǎng)運(yùn)行，能夠滿足多重目標(biāo)的中小型能源轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)[7]。作為新一代功能方式，主要有四個特征：

（1）直接面向用戶需求，布置在用戶附近，減少能量輸送成本。

（2）相對于傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)，均為中、小容量，靈活節(jié)約。

（3）多功能趨勢，既包含多種能源輸入，又可同時滿足用戶的多種能量需求。

（4）可供選擇技術(shù)也日益增多，如與燃料電池的結(jié)合，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化和整合，實(shí)現(xiàn)多個功能目標(biāo)。

分布式能源系統(tǒng)的核心及重要組成部分是分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其種類繁多，可與風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能相結(jié)合[8]。按熱機(jī)類型分類，主要有燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)，以及燃料電池等分布式冷熱電聯(lián)供。其中，與燃料電池相關(guān)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)為燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)-余熱吸收型分布式聯(lián)供系統(tǒng)，SOFC固體氧化物燃料電池單獨(dú)發(fā)電效率為50～60%，與燃?xì)廨啓C(jī)組合成混合動力系統(tǒng)，其發(fā)電效率可達(dá)到60%，是目前最潔凈的分布式能源系統(tǒng)之一。

4 熱電聯(lián)供節(jié)能性分析

綜合清潔供暖方式及分布式能源的性質(zhì)與優(yōu)缺，可知燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)是最有發(fā)展前景的分布式清潔供暖系統(tǒng)?，F(xiàn)從耗煤量、耗天然氣量以及使用成本三個方面對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能性分析。

4.1 依據(jù)耗煤量核算

模擬某戶家庭一天24小時內(nèi)的電熱需求的工況[9]。熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行情況主要包括電輸出、熱輸出及熱水溫度。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，統(tǒng)計(jì)得系統(tǒng)一天之內(nèi)的電量。用戶在一天之內(nèi)的用電量需求為8.4kWh，用熱量需求等效折算為電能是10.6kWh;燃料電池一天之內(nèi)發(fā)電量是9.5kWh，將燃料電池輸出熱負(fù)荷折算為電能是10.6kWh。假設(shè)天然氣由煤炭制備，電能由傳統(tǒng)的火力發(fā)電獲得。通過采用熱電聯(lián)供和采用煤炭發(fā)電兩種情況下的煤耗，對比傳統(tǒng)用電用熱方式與熱電聯(lián)供方式的能耗。

傳統(tǒng)用電用熱方式由電網(wǎng)提供所需熱電，假設(shè)電熱水器的效率為85%，則一天之內(nèi)所用的電能為20.87kWh。中國平均供電煤耗370g標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh，則產(chǎn)生所需的電能需要消耗的煤炭量為7.721kg。

熱電聯(lián)供系統(tǒng)一天之內(nèi)的發(fā)電量是9.5kWh，燃料電池輸出熱負(fù)荷折算為電能是10.6kWh，對于CHP來說，這部分能量無需額外能量提供，采用余熱供給。假設(shè)DC/AC變換設(shè)備效率為97%，帶重整器的燃料電池CHP系統(tǒng)的總效率為72%（保守估計(jì)），則天然氣需提供的能量為49MJ?？捎?jì)算所需天然氣的體積為1.35Nm3，即由煤炭發(fā)電提供的煤炭量為3.38kg。

經(jīng)分析可知仍有1.1kWh的電能可并入電網(wǎng)，此部分節(jié)約的煤炭量為0.4kg，扣除這部分用量后燃料電池系統(tǒng)所耗煤炭量為3.38kg-0.4kg=2.94kg。

4.2 依據(jù)耗天然氣量核算

已知1度電的熱值為3.6MJ/kWh，1立方天然氣的熱值為36MJ/m3，由此可知一立方米天然氣燃燒的熱值相當(dāng)于10度（1度=1kWh）電產(chǎn)生的熱值。

傳統(tǒng)用電用熱方式，用戶一天所用的電能是8.4kWh，用戶所用熱能等效折算為電能是10.6kWh，一共所需要的能量為19kWh，需要1.9m3天然氣。

熱電聯(lián)供系統(tǒng)一天的發(fā)電量是9.5kWh，燃料電池輸出熱負(fù)荷折算為電能是10.6kWh，對于CHP來說，這部分熱負(fù)荷能量采用余熱供給，無需額外能量，一共產(chǎn)生9.5kWh的能量需要0.95m3天然氣。

同時燃料電池系統(tǒng)所發(fā)電量扣除用戶使用電量，剩余1.1kWh（0.11m3天然氣）的電能，這部分電能可并入電網(wǎng)，那么熱電聯(lián)供系統(tǒng)滿足用戶用熱用電僅需0.95m3-0.11m3= 0.84m3天然氣。

所以，在忽略熱電聯(lián)供、熱電水器效率的前提下，依據(jù)耗天然氣量進(jìn)行核算，節(jié)能率為：

4.3 用戶端經(jīng)濟(jì)效益

4.3.1 管道輸送天然氣加天然氣重整熱電聯(lián)供情況

由前述可知，依據(jù)耗天然氣量估算，傳統(tǒng)用電用熱方式滿足用戶一天所需的能量是19kWh，需要燃燒的天然氣的體積為1.9m3。假設(shè)天然氣的價格：PCH4=4元/m3，那么用戶一天的費(fèi)用為：P1=4元/m3×1.9m3=7.6元。單純從天然氣使用量節(jié)約的角度，年節(jié)約天然氣費(fèi)用為：7.6元×56%×365天/年=1553元/年。

4.3.2 運(yùn)輸氫氣加純氫熱電聯(lián)供情況

在純氫熱電聯(lián)供方式下，滿足用戶一天所需能量僅為8.4kWh，需要燃燒的天然氣的體積為0.84m3。一個單位的天然氣（CH4）對應(yīng)兩個單位的氫氣（H2），所以所需氫氣的體積約為1.68m3（ρH2=0.0899kg/m3）。假設(shè)現(xiàn)階段較為理想的天然氣重整制氫成本為PH2=15元/kg，加之運(yùn)輸費(fèi)用，較為理想的氫氣終端價格為20元/kg，則用戶一天的費(fèi)用為：P2=20元/kg×0.0899kg/m3×1.68m3=3元/天，年節(jié)省費(fèi)用為1679元。

4.3.3 費(fèi)用變化的主要影響因素

費(fèi)用節(jié)約的影響因素有制氫成本、天然氣價格、效率等，主要因素是制氫成本。目前的制氫成本與氫氣終端價格如圖1、2所示，隨著制氫方式的多樣性及制、儲、運(yùn)氫的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，氫氣越來越容易獲得，制氫成本也將大大降低。由制氫成本變化對應(yīng)的年費(fèi)用節(jié)省情況，如下圖3所示。

當(dāng)前氫氣成本較高，若氫氣售價在50-70元/kg，則花費(fèi)高于使用天然氣供熱;若售價為50元/kg，則花費(fèi)等于使用天然氣供熱;隨著制氫成本下降，當(dāng)售價為7元/kg，日消費(fèi)1.06元/天，年節(jié)約費(fèi)用2387元，此時可通過管道輸氫代替交通運(yùn)輸;當(dāng)售價為3.5元/kg，日消費(fèi)0.53元/天，年節(jié)約費(fèi)用2580元，此數(shù)據(jù)與日本NEDO 基于該國情況計(jì)算的數(shù)據(jù)2600/年持平。未來將可再生能源制氫（例如電解水制氫等）和管道輸氫相結(jié)合，通過管道將制得的氫氣直接運(yùn)送到用戶使用，從而逐步代替化石能源制造天然氣、通過管道輸送天然氣、再進(jìn)行重整制氫的方式，將更大限度的減少氫氣使用成本，為用戶帶來更可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時減少環(huán)境污染，帶來巨大的社會效益。

5 結(jié)語

本文對綠色熱力清潔供暖方式、分布式能源系統(tǒng)做了詳細(xì)闡述，同時指出燃料電池?zé)犭娐?lián)供不僅是綠色熱力清潔供暖方式，還是直接面向用戶的分布式能源系統(tǒng)，是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ墓┡绞?，也是目前最潔凈的分布式能源系統(tǒng)之一。對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能性分析，依據(jù)耗煤量進(jìn)行核算，采用天然氣制氫的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)與傳統(tǒng)的用火電廠發(fā)電相比，節(jié)能率保守計(jì)算超過60%。依據(jù)耗天然氣量進(jìn)行核算，

忽略熱電聯(lián)供、熱電水器效率，節(jié)能率約為56%。制氫成本是影響費(fèi)用節(jié)約的主要因素，當(dāng)制氫成本在20元/kg，年節(jié)約費(fèi)用約等于1553元，與天然氣重整方式基本持平。研究結(jié)果為燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)建模理論分析及研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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