甲醇重整燃料電池熱電聯供經濟性分析

劉園園

大型煤氣化及煤基新材料國家工程研究中心，中國·山東 濟寧 272000

隨著氫能源等特殊的二次能源的不斷擴展使用，其以無碳、清潔和能量密度較高等特點在一些大規模儲能方面有著十分重要的應用，且結合甲醇重整的燃料氫電池為依據，有望能夠在世界的清潔能源體系中有著十分重要的應用，提升清潔能源在社會發展中的重要地位。

甲醇重整燃料電池；熱電聯供；經濟性

1 引言

氫能源具有來源廣泛、清潔低碳、靈活高效等優點，具有廣泛的適用范圍和獨特的優勢，將是推動中國新一輪能源革命的關鍵載體，也是實現交通和工業等領域規?；疃让撎嫉睦硐胪緩?。氫能源的有效開發與應用離不開“卡諾循環”，可實現燃料中的化學能向電、熱轉換，且理論轉換效率超過90%，是一種非常有效的氫能源技術。

2 甲醇重整燃料電池相關分析

2.1 甲醇重整燃料電池定義與內容

轉化型或間接型甲醇燃料電池（RMFC 或IMFC）作為一種新型的燃料，需要先將甲醇轉化為甲醇，再將其轉化為燃料。與傳統的DMFC 相比，重整甲醇燃料電池具有效率高、體積小、對甲醇純度的需求高等優點。由于甲醇所產的溫度為-97.0℃～64.7℃（-142.6 ℉～148.5 ℉），因此不需要水管理，更好地在低溫下工作，并且存儲在0℃下，由于在蓄電池中不存在液體甲醇-水的混合溶液，一旦發生冰霜，DMFC 的薄膜就會破裂。相對于直接RMFC 而言，RMFC 的優勢在于其將氫氣直接注入燃料電池組中，且其在陽極處存在較小的過電勢（即反應過程中的能量損耗）。缺點是RMFC 的工作溫度較高，因而對熱量和隔熱性能要求較高。在這種情況下，垃圾就是CO2和水。甲醇由于其固有的儲氫量（儲氫量），可在較低溫度下進行水蒸氣轉化制取氫氣。同時其還具有天然來源，可生物降解，高耗能等優點。RMFC 包括燃料處置系統、燃料電池、燃料箱以及裝置均衡[1]。

2.2 存儲與燃料成本

甲醇燃料一般被儲存在燃料盒中。在RMFC 體系中，一般使用100%的甲醇（IMPCA 行業標準）或者甲醇和40體積%的水的混合氣作為燃料。相對于水-甲醇混合液（預混液），100%甲醇具有更小的能耗，但其陰極水凝結導致的系統復雜度更高。RMFC 的燃油費用一般在（常規的甲醇）0.4～1.1 美元/（kW·h）。每度電0.45～1.3 美元/（kW·h）（可循環使用的甲醇來自市政廢物或可持續發電）。相對于常規的（瓶）氫驅動的低溫質子交換膜（質子交換膜），其價格在4.5～10 美元/（kW·h）之間。

2.3 甲醇重整燃料電池內部系統與部件分析

①燃油處理系統（FPS）。在250℃～300℃的高溫條件下，由甲醇、半氧化、自熱重組（ATR）→水汽轉換（WGS）→優先氧化（PROX），由甲醇直接制取氫氣和二氧化碳，此反應一般會發生在250℃～300℃的溫度下。

②燃料電池。氫氣轉化（H2）與氧（O2）的反應可以發電，同時生成副產物是水（H2O）。在RMFC 中，常用的是低溫（LT-PEMFC）或高溫（HT-PEMFC）。

③燃油處理系統的輸出。尾氣燃燒器（TGC）催化燃燒加力燃燒室或（催化燃燒）與鉑-氧化鋁（Pt-Al2O3）催化劑→冷凝器。

④植物平衡。裝置均衡（BOP）涉及所有的燃油泵、空氣壓縮機和風機，這些都是使一個系統內的燃氣和流體進行循環所必需的。為運行和監視RMFC，通常也要求有控制系統。

3 用戶需求分析

在中國，RMFC 作為一種新型的能源形式，其發展相對滯后。蘇州華清京昆電廠1kW 規模的RMFC 已于2021年6 月正式投產，該系統的能量轉換效率在40%～45%之間，其整體能量轉換效率在79%～85%之間。同一年由中廣核院研制的1.5kW 級RMFC 熱電聯產裝置通過了運行試驗，其直流發電效率（DC）能量轉換效率高達65%。山東政府與國家發展改革委就“氫進萬家”項目簽訂了合作備忘錄。按照合作意向，中國濟南、青島、濰坊、淄博四個城市為“氫進萬家”項目的選址地，將開展5 年的“示范”工作，創建國家“氫能源一體化利用”的示范基地。本項目擬選取中國一、二線（北京）為代表，以1.5kW 家庭RMFC 為例，應用與工程經濟學有關的理論建模，開展家庭RMFC 家庭RMFC 的經濟性研究與應用示范[2]。

3.1 用戶負荷分析

中國北上廣深等一、二線大城市是中國熱電能源消耗最大的地區，而北京市地處溫暖的北半球，冬天又冷又干，因此其火電能源消耗也是國內火電能源消耗中最大的。為此，論文選取北京市的城市家庭作為研究對象，對其進行實證研究。

從2022 年的《北京統計年鑒》的數據來看，北京市居民的生活能源消費水平在不斷提高。在2021 年，城市居民年人均生活用電1277.9kW·h/a，城市居民家庭平均人數為2.7 人，可計算出城市居民家庭年用電量為3450.34kW·h/a。北京市在2021 年的總供給量為123019.51×104m3，按照“七普”統計，2021 年北京市的常住居民總數為2189.3 萬人，可以計算出每年人均用水56.2m3，每戶用水151.7m3。假定居民生活用水占全部用水量的40%，自來水年平均溫度為15℃，生活用水平均溫度為40℃，自來水比熱容取值4181J/（kg·℃），密度按1000kg/m3進行計算，可以得出戶均年生活熱水負荷為6343.26MJ/a。

根據目前北京市的燃氣加熱器，以90%的加熱器為例，計算出以燃氣加熱器和電能加熱器為例，計算出以普通加熱器為代表的家庭平均每年能耗2251.24 元，如表1 內容所示。

表1 典型用戶的常規用能費用

3.2 家用聯供的系統商業模式

在中國家用熱電聯供系統的商業模式是：采用城市燃氣，RMFC 是在基荷長期內，以全功率的形式進行發電，其所生成的電能是一種典型的分布式發電模式。而剩余的電能，也會被用來抵消。甲醇重整燃料電池（RMFC）所生成的高溫廢氣可分為兩類：一是將40℃以上的自來水通過蓄熱器進行貯存，以滿足居民日常洗澡和洗漱所需的用水。二是利用供暖系統的供熱與換熱器來解決冬季住戶的供暖問題。一般情況下，當冬季和夏季時用戶的熱負載會有很大的波動，可以通過和好鄰居或者是共用一個單元的熱量來抑制負載的變化。

在熱電聯產方面，參照日本大阪天然氣公司Ene-Farm Type S 192-AS11 的技術特點，并以中廣核院自主研發的熱電聯產技術為基礎，設計一套熱電聯產的熱電聯產裝置，該裝置具有65%的能量轉換效率，90%的能量轉換效率，10年的使用年限，如表2 所示。

表2 技術特征分析

4 經濟性分析的財務模型

4.1 凈現值

本文所采取的經濟性分析是在對時間、資金和價值的充分考慮以及與資金等值換算之后，在相同時間點（一般為年末）的現金流入和流出的代數作和作為凈現金的流量，并以一定的利率實施動態折算所得到的結果，如下公式所示：

其中，NPV表示為凈現值，單元；C1表示為節點的現金流入量，單位為元；C0表示節點的現金流出量，單位為元；i表示為利率；t表示為本次計算的年份。

4.2 投資回收期和內部收益率

主要的財務指標包括：固定的回收期Pt和內部的收益率IRR。靜態投資回收期（也被稱為投資返本年限）是一個可以體現出財政上投資回收能力的關鍵指標，如果Pt不超過行業基準投資回收期或設置的基準投資回收期（Pc），則可以被視為在財政上是可以被接受的。IRR 是指凈現值為0時的貼現率，其被用于對投融資項目進行經濟評估，如果IRR 高于產業內的標準投資貼現率（如8%），則被視為可被金融機構所接受。

其中，T*表示為累計的凈現金流量開始所出現正值的年分數，單位為年；而NPV則表示上一年所累積的額凈現金流量的絕對值，單位為元；NPVT*表示為當年的凈現金流量值，單位為元。

而IRR 則需要結合以下公式進行計算：

4.3 敏感度分析

對于投資與融資過程中的不確定因素，通常使用敏感性分析與損益平衡點分析。敏感性分析是研究投資項目中各類不確定性對基礎方案經濟指標的影響，識別敏感因子，估計其對收益的敏感程度，并對其可能面臨的風險進行預測。敏感度系數可根據以下公式來計算：

其中，ξ和P都表示選擇的評價指標。

4.4 用戶成本

有關設備的購買及固定資產的折舊問題，家用的RMFC 熱電聯供系統的主要成本在于設備的購置費用。日本大阪天然氣Ene-Farm Type S 192-AS11 的市價為9.24 萬元人民幣，根據我們對中廣核科院自主研發的產品進行分析，按照批量生產計算，該系統的總成本為9.38 萬元人民幣，假定國家對其進行50%的補助，則需要客戶的實際購買費用為4.69 萬元人民幣。購買家用RMFC 供熱聯合供應系統的費用，全部構成固定資產的原值，其殘值率為5%，固定資產每年的折舊額為0.89 萬元。用戶是家庭RMFC 熱電聯供系統的最終消費者，其不會牽扯到諸如專利及專有技術使用費、商標權等沒有實物形態可識別的非貨幣性資產，也不會對無形資產進行折舊[3]。

有關用戶自身的經營成本費用而言。家庭RMFC 熱電聯供系統的運營費用，其最大的來源是外購原材料、燃料和動力費，也就是天然氣發電的煤氣費用，按照天然氣售價2.63 元/m3計算，一年內連續運轉的煤氣費用為5552.6 元。

4.5 用戶收益

家用RMFC 熱電聯供系統，年發電量為13140kW·h，用戶年用電量為3450.33kW·h，將過剩的電力反饋給電網。假定上網電價為0.53 元/（kW·h），用戶一年可得到5135.5 元的售電收益，再加上自產自用的電力效益，用戶年發電收益為6849 元。家用RMFC 熱電聯供系統的年產熱量達到18193.8MJ，用戶的年生活熱水負荷達到6343.26MJ，多余的熱力可以被用來在冬天供暖或者是在睦鄰供熱水中使用，多余的熱力達到11850.6MJ，按照100 元/GJ 來計算熱價格，用戶年售熱收益達到1185.1 元，再加上自產自用產生的熱力效益，用戶年產熱收益達到了3436.29 元。在不計各種稅金的情況下，該客戶的年發電、供熱收入為10285.3 元。

5 結語

綜上所述，結合上述研究發現，家用的甲醇重整燃料電池的商業模式對于政府補貼、上網電價、燃氣價格和設備的成本具有高度的敏感性，如當設備投資降低39.3%，或者天然氣價格下浮動45.71%，或者上網電價提高23.9%，或者政府補貼增加35.88%時，家用RMFC 熱電聯供系統也會擁有較為顯著的經濟效益。此外，降低設備成本是一個永遠不變的趨勢，這種商業模式下，設備成本的經濟效益閾值為每套5.7 萬元，產品成本越低，用戶的經濟效益就會越明顯。