光伏發電與儲能技術在鋼鐵企業節能降碳中的可行性研究

文_劉輝 吳仁良

1 遼寧省節能監測中心 2 石鋼京誠裝備技術有限公司

根據黨中央國務院有關碳達峰、碳中和總體要求，隨著國家能耗雙控持續深入和強化，為緩解各地區鋼鐵企業電力需求緊張，堅持走鋼鐵企業綠色發展道路，使用新型能源進行少量或部分能源置換成為一種優先選擇。光伏發電與儲能技術在鋼鐵企業應用是響應國家節能政策，貫徹執行國家生態環境可持續發展的重要舉措。

光伏發電儲能裝置對于光伏電站的穩定運行起著至關重要的作用。儲能系統不僅能夠保證供電系統的穩定可靠，還能解決電壓脈沖、涌流、電壓跌落和瞬時供電中斷等動態的電能質量問題?，F階段光伏發電儲能技術主要有4種：蓄電池儲能、超級電容器儲能、飛輪儲能和超導儲能。目前，光伏發電儲能應用最為廣泛的是蓄電池儲能。

1 鋼鐵企業現狀及存在問題

據國家統計局初步核算數據，2011～2020年，煤炭消費比重逐年下降，由69.2%下降至56.8%，平均每年下降1.24個百分點?！笆濉逼陂g，煤炭消費量持續增長，六大高耗能行業占煤炭消費總量的85%以上。根據中國煤炭工業協會測算，鋼鐵行業、電力行業、建材行業、化工行業等主要耗煤行業耗煤分別同比增長3.3%、0.8%、0.2%、1.3%，其他行業耗煤同比下降4.6%。

據2020年遼寧省統計年鑒，遼寧省鋼鐵企業2019年煤炭消費總量4038.88萬t，占六大高耗能行業煤炭消費量的24.38%。2020年遼寧省國民經濟和社會發展統計公報：全年規模以上工業綜合能源消費量1.6億tce，其中六大高耗能行業綜合能源消費量占91.0%。由此可見鋼鐵企業進行節能技術改造迫在眉捷。

“十四五”是我國碳達峰的關鍵期、窗口期，按照降碳總體目標，單位國內生產總值能耗和二氧化碳排放要分別降低13.5%、18%。結合現在的實際情況，完成降碳目標任務，任重道遠，壓力巨大。重點用能企業應擔負起社會責任，盡快完成綠色低碳循環發展轉型。

如何實現能源消費量置換替代，是當前需要思考解決的難題。探討光伏發電與儲能技術在鋼鐵企業節能降碳中發揮作用，增加“綠電”應用比例，對碳達峰意義重大。

2 技術可行性分析及解決辦法

為了確?！笆奈濉蓖瓿蓽p碳目標任務，各地政府主管部門除了堅決貫徹強化能耗“雙控”，堅決遏制“兩高”項目盲目發展，而且要大力推進節能降碳重點工程，加快推進電力、鋼鐵、有色、建材、石化、化工等重點行業節能改造，深挖節能潛力，加快淘汰落后產能，及高耗能機電設備。

從“十三五”統計數據來看，我國可再生能源增速明顯，2020年占比15.9%，擴大應用潛力巨大?！吨袊夥a業清潔生產研究報告》指出，光伏發電的能量回收周期僅為1.3a，而其使用壽命為25a，也就是說在約24a里光伏發電都是零碳排放。光伏發電與儲能技術在鋼鐵企業中應用，可大量減少外購電力消耗，降低煤炭消費量，優化電力結構，對節能降碳發揮重要導向作用。

在鋼鐵企業能源消費側，一是強化能耗雙控，堅持節能優先，把能耗強度節能指標納入生態文明、綠色發展等績效評價體系，合理控制一次能源消費量不增長，壓降單位產品能耗強度；二是穩步提升電機、變壓器高效化升級改造；三是重點加大光伏發電與儲能項目推廣應用，全面推進電氣化節能提效，壓減火力發電煤炭消耗。

據統計資料分析，中國陸地面積每年接收的太陽輻射總量為33×103M～84×103MJ/m2，相當于24×104億tce的儲量，初步分析全國太陽能技術可開發裝機容量達到156億kW。其中新疆自治區最大，約為42億kW，其次是青海和內蒙自治區，分別為34億kW和26.15億kW，此外甘肅、西藏、寧夏以及山東等地太陽能技術可開發裝機容量也比較可觀。

我國的太陽能資源地區分類見表1。

我國太陽能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候條件有較大關系。在世界上我國屬太陽能資源豐富的國家之一。通過表1可以看出：一、二、三類地區年日照時數大于2200h，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區，面積約占全國總面積的 2/3 以上，具有利用太陽能發電的良好條件。四類地區雖然太陽能資源條件相對較差，但仍有較可觀的利用價值。

表1

“十四五”期間，全國太陽能規劃開發規模合計357436MW。其中，東北區域28328MW、華東區域42650MW、華中區域31662MW、西北區域69550MW、西南區域43476MW、華北區域111250MW、華南區域30520MW?！叭钡貐^”占比59%。

結合各省市地區光伏發電在“十四五”期間的開發規模，提倡并推廣光伏發電與儲能技術在鋼鐵企業中應用考慮的原則：

①根據所在地的光照資源情況，合理配置光伏規模與儲能系統。

②圍繞解決在不同時段及季節上的發電及用電不均衡問題，利用電力儲能裝置，合理平衡電力供需矛盾，提高能源利用效率，同時也為電網提供更加穩定的電能。

③堅持技術和設備的先進性、適用性、經濟性的原則，確保產品的質量，以達到企業的高效益。

3 技術應用后的運行情況

根據所在地的光照資源情況，現場勘探鋼鐵企業，對企業廠房屋頂、停車場及可用地面等進行全面評估，編制光伏發電與儲能可行性技術方案。

以遼寧省營口市周邊地區建立10萬m2光伏發電與儲能項目為例，技術方案具體如下。

3.1 光伏方陣布置

企業工廠屋面、停車場及地面光伏組件采用固定式安裝，考慮到承重、風力、雪和其他載荷對運行的安全影響，便于日后運維檢修方便，以傾角36°方式鋪設。根據現場安裝技術要求，預留出500～1000mm檢修通道。通過國家通用光伏發電系統計算軟件PVsyst7.2計算，36°時組件上的年輻射量為1528kWh/m2。

3.2 土建設計與施工

屋面、停車場及地面承受新增光伏發電系統組件荷載，需經有資質的設計單位核實計算或其他專業公司現場檢查核實后確定。

結合光伏發電施工場地材料結構，合理選擇安裝方法。如果是水泥面，采用配重樁安裝；如果是鋼制面選擇焊接安裝，傾角選擇為36°。

3.3 發電量測算

根據《光伏發電站設計規范GB50797-2012》，光伏發電站上網電量可按下式計算：

式中HA——水平面太陽能總輻射量（kWh/m2，峰值小時數）；

Ep——上網發電量（kWh）；

Es——標準條件下的輻照度（常數=1kWh/m2）；

PAZ——組件安裝容量（kWp）；8.56MWp；

K——綜合效率系數。

K1——光伏組件類型修正系數，一般取0.94；

K2——光伏方陣的傾角、方位角修正系數，一般取1.03；

K3——光伏發電系統可用率，一般取0.99；

K4——光照利用率，一般取0.96；

K5——逆變器效率，一般取0.987；

K6——集電線路損耗，一般取0.96；

K7——升壓變壓器損耗，一般取0.98；

K8——光伏組件表面污染修正系數，一般取0.97；

K9——光伏組件轉換效率修正系數，一般取0.83。

計算10萬m2光伏項目發電量：

光伏電站在運營期按25a考慮，年均發電量約為900萬kWh，年平均有效發電小時數為1165h。

3.4 光伏發電儲能

電化學儲能是光伏發電儲能市場不斷前進的新生力。隨著電化學儲能技術的不斷優化與技術進步，電化學儲能系統的制造成本和維護成本持續呈下降趨勢，儲能設備容量及壽命不斷提高與延長，逐漸成為中國各地區儲能產業新的發展趨勢。電化學儲能主要包括鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等。目前用于規?；瘍δ艿碾姵刂饕糟U蓄、鋰離子和全釩液流電池為主。

4 社會效益和經濟效益

10萬m2光伏發電儲能項目建成投運，鋼鐵企業每年可減少外購火力用電約900萬kWh，每千瓦時電價按0.62元計算，鋼鐵企業年節電經濟效益900×0.62=558萬元。

10萬m2光伏發電儲能項目達產投運后，每年可以減少煤炭消耗2952t，減少二氧化碳排放量8973t，減少二氧化硫排放量約270t，減少氮氧化合物排放量約135t，減少顆粒物排放2448t。

光伏發電與儲能技術在鋼鐵企業的大量應用，可以替換鋼鐵企業部分外購電力消耗，減少火力發電煤炭消耗，實現部分能源置換，能源轉型后能源結構進一步優化，將從根本上改變污染物排放和溫室氣體排放與經濟社會發展不相適應的狀況，對建設美麗中國有重要意義。

5 應用案例

2021年5月10日，天津鋼鐵集團有限公司采用EPC模式與西安西電高壓開關有限責任公司以單瓦3.95元價格，簽署建筑物屋頂9.8MW分布式光伏發電項目投標文件。

2021年12月10日，三峽電能與江蘇省鋼鐵行業協會簽訂合作協議，雙方未來將加強在分布式光伏、源網荷儲、綠色物流和余熱發電等業務的合作力度，并就首期2GWh儲能及100億低碳基金成立專項工作組，共同落實國家“雙碳”目標任務。

6 結語

基于收集資料進行測算、造價風險以及受屋面架構加固或防水等不確定因素影響，光伏發電與儲能項目的最終投資及收益以項目可研為準。

根據項目建設要求，嚴密組織現場踏勘及相關圖紙審核，準確進行發電量及投資估算，對屋架及承載面的荷載驗算、核準能夠滿足光伏荷載要求，委托有資質的專業檢測公司對屋頂荷載進行檢測，拿出結論以便確定最終投資及光伏設計總量。收集鋼鐵企業典型月、典型天的用電量，確定最終消納。

因地制宜，合理發展光伏發電與儲能在鋼鐵企業中的應用，將有效地改善鋼鐵企業能源結構，增加可再生能源的比例，優化電力系統電源結構，對鋼鐵企業實現綠色低碳循環發展轉型具有舉足輕重的作用。該舉措也是貫徹黨中央、國務院加快推進生態文明建設部署的一項重要任務。

隨著光伏發電與儲能技術的持續改進，組件及配套設施的成本呈現走低趨勢。各地區尖峰電價上調，大工業用電價格上升，這對光伏發電與儲能技術的推廣應用起到一定促進作用。

建設光伏發電與儲能裝置，鋼鐵企業可以完成部分能源置換，就項目本身而言，從根本上實現零碳排放。光伏發電與儲能裝置普及應用是鋼鐵企業堅持走綠色低碳循環發展的最佳途徑之一。該方案技術成熟、安裝維修方便、投資風險小、可推廣應用性大，具備大范圍投資建設的潛力。