固體氧化物燃料電池供能系統技術經濟性分析

姜 鑫, 金文龍

(北京市燃氣集團研究院, 北京 100011)

1 概述

燃料電池是一種能夠連續將燃料化學能直接轉化為電能的化學電源裝置,在能量轉化過程中無需熱機的燃燒過程和傳動設備,效率不受卡諾循環限制,能量轉化率最高可達83%,為內燃機的2～3倍。燃料電池結構簡單且沒有運動組件,沒有振動,噪聲很低,損耗小,壽命長。本文結合工程實例,對以固體氧化物燃料電池(SOFC)為核心裝置的供能系統的技術經濟性進行分析。

2 用能場景

北京某醫院建筑面積7.4×104m2,醫院對供電可靠性要求較高,擬建設能源站滿足醫院的冷、熱、電、生活熱水需求。項目周邊天然氣供應條件好,氣量充足。

2.1 負荷特征

為便于進行全年供能情況分析,將典型日逐時負荷(含冷、熱、電、生活熱水負荷)作為基準,將用戶日逐時負荷率劃為4檔:100%、75%、50%、25%,用戶日逐時負荷率及對應時間見表1。醫院供暖期、供冷期、過渡期典型日逐時負荷分別見圖1～3。圖中時段編號1代表0:00—1:00,以此類推。

圖1 醫院供暖期典型日逐時負荷

圖2 醫院供冷期典型日逐時負荷

圖3 醫院過渡期典型日逐時負荷

表1 用戶日逐時負荷率及對應時間

熱價按照91.6 元/GJ計算,冷價按照180 元/GJ計算。生活熱水價格按照30 元/t計算。供暖期天然氣價格為2.60 元/m3,非供暖期天然氣價格為2.29 元/m3。北京地區不同時段市電價格見表2。燃料電池供電價格按照商業平均電價0.773 1 元/(kW·h)計算。

表2 北京地區不同時段市電價格

2.2 用能特點

① 全天存在電負荷需求。醫院內一些維持生命的設備即使夜間也在運行,因此夜晚也有一定電負荷,8:00—19:00為用電高峰。

② 供暖期全天存在供暖需求。熱負荷主要集中在8:00—21:00,高峰出現在21:00前后,典型日最大熱負荷為4 712.27 kW。

③ 供冷期全天存在供冷需求。冷負荷主要集中在9:00—16:00,高峰出現在16:00前后,典型日最大冷負荷為6 031.75 kW。

④ 全年均有生活熱水需求,生活熱水主要用于殺菌、消毒、洗衣等用途,8:00—16:00是高峰時段,最大生活熱水負荷為771.43 kW。

3 燃料電池供能方案

燃料電池供能方案以燃料電池為核心裝置,采用換熱器回收電堆余熱。采用直燃型溴化鋰吸收式機組(簡稱直燃機)、離心式冷水機組、燃氣鍋爐為冷熱負荷調峰設備。采用蓄電池儲電、蓄熱水罐儲熱。燃料電池供能方案主要設備的額定容量、技術參數見表3。

表3 燃料電池供能方案主要設備的額定容量、技術參數

燃料電池供能方案流程見圖4。供冷期,優先采用離心式冷水機組制冷,不足冷量由直燃機補充。燃料電池發電余熱先為用戶供應生活熱水,若剩余,儲存于蓄熱水罐,若不足,則由蓄熱水罐補充。燃料電池發電優先用于驅動離心式冷水機組,其次供應用戶,若有剩余則利用蓄電池儲存,若不足則外購市電。離心式制冷機、直燃機供、回水溫度均為7、12 ℃。燃料電池熱電聯供裝置供、回水溫度為80、60 ℃。供冷期燃氣鍋爐停運。

圖4 燃料電池供能方案流程

供暖期,生活熱水負荷由燃氣鍋爐承擔。供暖熱負荷優先由燃料電池發電余熱和蓄熱水罐提供,不足部分由直燃機提供。燃料電池發電先向用戶供電,若有剩余則利用蓄電池儲存,若不足則外購市電。直燃機、燃料電池熱電聯供裝置供、回水溫度均為80、60 ℃,燃氣鍋爐供水溫度為80 ℃。供暖期離心式冷水機組停運。

過渡期,燃料電池發電先向用戶供電,若有剩余則利用蓄電池儲存,若不足則外購市電。生活熱水由燃料電池熱電聯供裝置供應,若有剩余則利用蓄熱水罐儲存。燃料電池熱電聯供裝置供、回水溫度為80、60 ℃。過渡期離心式冷水機組、直燃機、燃氣鍋爐停用。

4 經濟性分析

燃料電池供能方案主要設備購置費見表4。由表4數據可知,燃料電池供能方案主要設備購置費為18 807.69×104元。

表4 燃料電池供能方案主要設備購置費

經測算,醫院年用電量為898×104kW·h/a,其中燃料電池年供電量為721×104kW·h/a,外購市電量為177×104kW·h/a。供暖期天然氣消耗量為142×104m3,非供暖期天然氣消耗量為114×104m3。生活熱水年供水量為7 200 t/a,年供熱量為26 491 GJ/a,年供冷量36 046 GJ/a。

由各項能源價格及燃料電池供電價格,可計算得到:項目年成本為720.6×104元/a,年收益為1 470.5×104元/a。由此可計算得到項目年利潤為749.9×104元/a,設備購置費為18 807.69×104元,項目設備購置費回收期為25.1 a,項目不具有經濟性。分析設備購置費構成可知,設備購置費回收期過高的主要原因在于燃料電池購置費過高。根據王遜等人[1]的研究結果,當固體氧化物燃料電池供能方案與基準方案(采用燃氣內燃機發電機組)設備購置費相同時,1 500 kW級別的燃料電池價格約1×104元/kW。若按這種價格水平測算,該醫院供能項目設備購置費為8 307.69×104元,設備購置費回收期可縮短至11.1 a,項目具備一定經濟性。因此,對于燃料電池供能系統,在能源價格相對穩定的前提下,影響系統經濟性的主要因素為燃料電池價格。

5 結論

按燃料電池價格8×104元/kW進行測算,設備購置費回收期為25.1 a,項目不具備經濟性。當燃料電池價格降至合理水平,按1×104元/kW進行測算,設備購置費回收期可縮短至11.1 a,項目具備一定經濟性。對于燃料電池供能系統,在能源價格相對穩定的前提下,影響系統經濟性的主要因素為燃料電池價格。