SOFC在天然氣分布式應用中的經濟性分析

姚利森

上海聯和日環能源科技有限公司

0 引言

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。

固體氧化物燃料電池具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態、模塊化組裝、零污染等優點，可直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質氣等多種碳氫燃料。按應用領域可分為便攜式能源系統、家庭熱電聯供系統、汽車輔助電源系統和分布式能源系統[1]。

本文對不同應用場景下以天然氣為燃料的固體氧化物燃料電池分布式應用進行經濟性分析。

1 固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池是一種采用電化學反應發電的裝置，其工作過程不受限于卡諾循環，效率遠高于其他發電設備。該電池可采用多種燃料，以H2、CH4、CH3OH作為燃料的反應化學式見表1。

表1 SOFC反應化學式[2]

天然氣作為常見的化石能源，被廣泛應用在分布式系統中。當天然氣作為SOFC的燃料時，其工作過程如下：在高溫工作條件下，SOFC陰極側通入的空氣中的O2被陰極催化裂解成O2-，在電化學勢差的作用下，O2-離子穿過離子電導的陶瓷電解質隔膜片，到達陽極，與天然氣發生還原反應，生成水和CO2，對外放出電流。該反應的主要產物是CO2和水，是一種低排放的綠色能源來源方式。

2 分布式應用前景

2.1 分布式應用

天然氣分布式能源是指利用天然氣作為燃料，通過冷、熱、電聯供的方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，在負載中心附近能實現能源的供應，是一種現代能源供應方式，是實現天然氣高效利用和結構優化的重要途徑。目前常見的天然氣分布式能源發電設備包括：微型燃氣輪機、中小型燃氣輪機、內燃機及燃料電池，且目前已有很多從業人員對天然氣分布式利用的熱經濟性計算進行了研究，姜曙等[3]對某能源站的應用進行了分析。

近年來，分布式電站由于其成本低、可維護性高等優點已逐步成為世界能源供應的重要組成部分。由于SOFC發電的排氣有很高的溫度，具有較高的熱能利用價值，可提供天然氣重整所需熱量用于生產蒸汽，也可以和燃氣輪機組成聯合循環，適用于分布式發電和供暖。SOFC和燃氣輪機、蒸汽輪機等組成的聯合發電系統不但具有較高的發電效率，同時也具有低污染的環境效益。

國外公司及研究機構相繼開展了SOFC電站的設計及試驗，100kW管式SOFC電站已在荷蘭運行。美國西屋公司不但試驗了多個kW級SOFC，而且正在研究MW級SOFC與燃氣輪機發電系統。日本三菱重工及德國西門子公司都進行了SOFC發電系統的試驗研究[4]。

2.2 SOFC優勢

相對于其它天然氣分布式能源發電設備，SOFC具有以下優勢。

2.2.1 發電效率高

燃料電池發電為化學能直接轉換成電能，不受卡諾循環限制，直流發電效率可高達70%以上，交流發電效率可達65%。相比其它熱機，電效率具有明顯優勢，尤其是對于1MW級別的發電單元。同時，燃料電池作為分布式能源供電，可安裝在負載中心附近的位置，避免了電路傳輸損耗和配送損耗。

2.2.2 余熱品質高

分布式能源應用，不僅應考慮電能的輸出，同時也需考慮冷、熱能源的輸出，SOFC發電余熱溫度較高，約700℃～800℃，同時余熱溫度穩定，余熱經過熱回收系統可以熱水或供暖的形式使用。

2.2.3 無振動低噪音

SOFC采用電化學反應進行發電，不存在機械運行，不產生振動，工作噪音在45dB以下。因此安裝地點非常靈活，可安裝在工作區域，休閑區域，也可安裝在住宅區域、樓頂。

2.2.4 燃料選用范圍廣

SOFC可使用的燃料類型非常廣泛，包括天然氣、煤制氣、合成氣、生物質氣、甲醇等。SOFC運行溫度較高，方便燃料中高碳化合物的催化重整成H2和CO。采用金屬Ni作為內重整催化劑，成本低，且CO2不會毒化。

2.2.5 綠色環保、低碳排放

NOx和SOx是當今環境污染的主要污染源之一，而SOFC發電進入的原料僅為空氣和燃氣。燃氣經脫硫處理，因此尾氣中不含SOx?？諝怆m然經高達800℃的高溫環境，但由于反應過程在大氣壓力條件下，幾乎無NOx產生。

3 應用模式分析

3.1 發電模式

純發電模式，具有系統簡單、總體能量利用率較低的特點，也是SOFC系統最為常見的利用方式。美國的布魯姆能源公司（Bloom Energy）已為美國谷歌（Google）、易貝（eBay）、沃爾瑪（Wal-Mart）等公司提供了超過100套的SOFC系統。

3.2 發電供暖模式

發電供暖模式分兩類，一類是SOFC余熱供暖[5]，另一種是復合GT[6]，形成SOFC-GT余熱供暖。

3.2.1 余熱供暖模式

SOFC余熱供暖系統如圖1所示。

圖1 SOFC余熱供暖系統

該系統能量利用率高，系統較為簡單，適合北方供暖地區應用。

日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）于2011年開發成功全球首個商業化的SOFC熱電聯供系統。該系統由發電單元和利用廢熱的熱水供暖單元組成，輸出功率為700W，發電效率為46.5%，綜合能源利用效率高達90.0%，工作時的溫度為700℃～750℃，在作為家庭基礎電源同時，并可利用廢熱用作熱水器或供暖器。

3.2.2 SOFC-GT余熱供暖

SOFC-GT余熱供暖如圖2所示。

圖2 SOFC-GT余熱供暖系統

圖2 為SOFC與燃氣輪機（GT）構成的混合分布式發電系統。SOFC-GT混合發電系統由燃料處理系統、電池堆、余熱利用系統及直交流轉換系統組成，發電效率高達60%以上。

工作過程為天然氣經過加壓和脫硫處理后被系統廢熱加熱，與利用電池堆余熱加熱的水蒸汽混合輸入電池堆的陽極。高溫的潔凈天然氣和水蒸氣在催化劑的作用下發生重整反應產生H2。常溫的空氣經壓縮后由燃燒器的高溫排氣加熱到電堆入口溫度后輸入到電池堆的陰極。電堆內發生氧化還原反應產生電能和熱能。陽極與陰極排氣（未反應完燃料和空氣）進入燃燒室燃燒，燃燒室的排氣將天然氣和空氣加熱到電池堆的入口溫度后，進入燃氣輪機做功，輸出電能。由于廢氣溫度很高，經過燃氣輪機排出的廢氣也有較高的溫度，這部分廢氣通過煙氣換熱器進行余熱回收，加熱供暖回水，經過煙氣換熱器的廢氣溫度大幅降低，排入大氣中。

該系統發電轉換率高，但系統復雜，運行難度較大。

3.3 多聯供模式

多聯供模式如圖3所示。

圖3 冷熱電多聯供系統

在發電供暖的基礎上，增加溴化鋰制冷系統，形成冷熱電多聯供系統，冬季供暖、夏季供冷。該系統全年綜合能源利用率較高，但系統復雜程度也相應有所提高，適用于辦公場所、寫字樓等商用場所。

4 SOFC系統成本

目前大量SOFC系統的演示驗證，SOFC的技術可行性毋庸置疑。目前SOFC發電系統已進入了初步量產和成本降低的階段，進入千家萬戶已為時不遠。

成本一直是限制SOFC推廣應用的一個關鍵性因素。

SOFC系統成本可分為SOFC電堆及其他輔助設備，如燃料重整器、燃燒器、熱交換器等等，這些輔助設備也被稱為平衡部件（BOP，Balance Of Plant）。

按目前的工藝路線，SOFC電堆部分僅占整個發電系統成本的較小部分。由于未能滿足長時間穩定運行的BOP部件，需要研發和特殊訂制，因此目前BOP部件的成本約占總成本的70%。通過大規模產業化將能顯著降低BOP部件的成本。

除了BOP部件，發電系統的核心部件——SOFC電堆的成本也有大幅下降空間。目前SOFC電堆成本主要包括各種材料、組件制備、封裝集成、人力等幾個方面。除了通過大規模產業化以降低電解質粉體、耐高溫金屬等關鍵材料的價格外，改善工藝步驟、提高電池制備的成品率也是降低成本的關鍵。

美國能源部固態能量轉換聯盟（Solid-State Energy Conversion Alliance，SECA）從2001年開始投入SOFC研發，在單電池性能、功率密度、可靠性和先進制造技術上取得重大進展，目前，SOFC電池堆成本與2001年相比降低了90%以上，如圖4所示。

圖4 SECA-SOFC成本下降趨勢預測

5 經濟性分析

本文以北京（六城區外）地區的商業場所作為應用場景。

5.1 各模式技術條件

影響經濟性的各模式下技術條件見表2。

表2 技術條件匯總表

5.2 經濟性評價

本文經濟性評價參考的計算原則和依據如下：

（1）《化工投資項目可行性研究報告編制辦法》（2012年修訂版），中石化聯產發［2012］115號；

（2）《投資項目可行性研究指南》（試用版），原國家發展計劃委員會辦公廳計辦投資［2002］15號文；

（3）《化工投資項目經濟評價參數》，國家石油和化學工業局國石化規發［2000］412號文；

（4）《建設項目經濟評價方法與參數》（第三版），國家發改委、建設部發改投資［2006］1325號文；

（5）《火力發電工程建設預算編制與計算規定》（2013年版），國家能源局；

（6）《關于發布電力工程計價依據適應營業稅改征增值稅估價表的通知》，電力工程造價與定額管理總站定額〔2016〕45號；

（7）《關于發布2013版電力建設工程概預算定額2018年度價格水平調整的通知》，電力工程造價與定額管理總站定額[2019]7號；

（8）《火力發電工程經濟評價導則DL/T 5435-2009》，國家能源局；

（9）《環境保護節能節水項目企業所得稅優惠目錄（試行）》，國家稅務總局。

5.3 計算基本條件

經濟性計算基本條件匯總見表3。

5.4 結果分析

5.4.1 計算結果

經濟性計算結果見表4。

表4 經濟性計算結果

由表4可見：

（1）多聯供模式經濟效益最佳，單純發電模式收益率最低；

（2）增加供熱、供冷等空調功能后，系統經營成本變化較小，同時收益較為客觀，對項目的投資收益率拉動明顯；

（3）在不需要供冷的區域或供冷時間較短的區域，發電供暖模式具有相當的競爭力。

5.4.2 敏感性分析

以“發電模式”為例，以電價及造價的變化作為條件分別進行敏感性分析。

表5 造價對收益率的敏感性分析

表6 電價對收益率的敏感性分析

以表5和6中的數據作圖，見圖5。

圖5 敏感性分析圖

從圖5可見，在“發電模式”的造價和電價中，電價是更為敏感的因素，因此對投資者而言，如何得到一個較高的、有穩定預期的售電價格是項目成敗的關鍵。

6 總結

北京是我國分布式發電中天然氣價格用電價格較高的城市，根據本文分析，利用SOFC純發電的方案經濟效益一般，但在商業場所，采用冷熱電多聯供的方案已具有較好的經濟效益。因此，在有條件的城市和項目中建議可以進行SOFC技術的先行先試，培育產業力量，整合產業鏈資源，力爭在3年～5年內使SOFC系統成本大幅度下降，成為重要的分布式能源利用技術。