蒸汽型高温固体储热技术经济性分析

梅超 李迎 马美秀 康伟 徐桂芝

(1.国网福建省电力有限公司厦门供电公司 福建 厦门 361004;2.国网智能电网研究院有限公司 北京 102299)

国际能源署数据显示，2018年供热占全球终端能耗的50%，工业占据50%，随着“碳达峰、碳中和”目标的推进，推动工业炉窑使用电、天然气等清洁能源或实施集中供热，成为重要的发展趋势[1]。构建以新能源为主体的新型电力系统是低碳清洁的主要措施，截至2021 年底，我国新能源装机规模达6.34亿kW，占比达到26.7%，新能源发电量1万亿kW·h，占总发电量的12%[2]，但新能源资源的随机性和间歇性，会导致电网调峰困难，在这种电力系统新形势下，需要提高电力消费侧灵活性及调峰能力，以维持电网稳定[3-6]。储热技术可以将电能存储起来，根据工艺用热需求释放产生热（蒸汽），不仅实现了削峰填谷、缓解新能源并网波动和调控电能品质，同时采用低谷、低价新能源电力，降低了工业用热的能源成本。此外，随着我国电力市场化改革推进，零电价或负电价成为“常客”[7]，因此，如何将低成本电能转化成热能，降低工业用热的能源成本，使得蒸汽型固体储热技术更有市场推广前景，进一步探讨装置成本、电价、蒸汽价格对蒸汽型高温固体储热系统全生命周期的影响，为储热技术在工业领域的广泛推广提供参考。

1 蒸汽型高温固体储热技术

本文所研究的蒸汽型高温固体储热系统如图1所示，主要包括固体储热装置、蒸汽发生器、循环风机、给水泵等。

图1 蒸汽型高温固体储热系统流程图

电网低谷或新能源电力富裕时段，固体储热装置开启电源，将电能转化成热能存储于储热材料内，直至储热温度达到储热材料设定值上限，同时，根据工业用户热需求，开启循环风机，将冷空气送入固体储热装置内与储热材料进行热交换，变成高温的热空气进入蒸汽发生器，将热量传递至水，水吸热产生饱和蒸汽供应给热用户，被吸热后的蒸汽再次变为热水或回收再次产汽或用于余热利用。

2 蒸汽型高温固体储热技术经济性分析

以某制药公司为例，工艺所需蒸汽参数与运行情况如表1所示。

表1 某制药公司蒸汽运行参数表

以某制药公司所在地电价基准，采用系统投资决策的动态评价方法[8-10]，测算系统的净现值、内部收益率及投资回收期的变化，分析谷电价格、建设投资、蒸汽价格的敏感性，提出适宜于系统推广的建议。

净现值法是系统在整个技术方案的全寿命周期内，全年产生的资金流入量与流出量的差值，按照设定的折现率，折算到投资开始时的现值，再把每年的折算值累加的结果。

式（1）中：NPV为第t年净现金流量的现值；（CICO）t为第t年净现金流量；t为年数；ic为设定的折现率（同基准收益率）。

式（2）中：IRR为内部收益率。

由式（1）、式（2）可知：当NPV=0时，IRR=ic；当NPV≥0时，IRR≥ic；当NPV≤0时，IRR≥ic。因此，内部收益率作为项目经济性判断的指标，当IRR≥ic则项目在经济上可以接受，当IRR≥ic则项目在经济上不可行。

式（3）中：Tp为投资回收期；tp为累计净现金流量现值开始出现正值的年份；CZXZtp为第tp年净现金流量的现值；CjXZ(Tp-1)为上一年的累计净现金流量的现值的绝对值。

以某制药公司为例的蒸汽型高温储热技术经济性基础指标，如表2所示。

表2 某制药公司蒸汽型高温储热技术经济性基础指标

2.1 谷电价格敏感性

以案例所在地大工业用谷电价格为0.372 1元/kW·h为基准，计算其分别下浮10%～50%时系统的蒸汽成本、净现值和投资回收期，如图2所示。

图2 蒸汽型高温固体储热系统谷电价格敏感性图

通过降低谷电价格，从而可降低系统的蒸汽成本中的用电成本，当谷电价格降低20%时（0.297 7元/kW·h），蒸汽型高温相变储热系统的净现值为39万元＞0，系统具有经济性，且其内部收益率为12.8%，投资回收期为7年。因此，可以通过争取电价优惠、参与电力市场交易等渠道降低蒸汽能源成本。

2.2 建设投资敏感性

以装置建设投资为基准，计算其分别下浮10%～50%时系统的净现值，具体如图3所示。

图3 蒸汽型高温固体储热系统建设投资敏感性图

通过降低建设投资，即需降低主要设备及其附属设备的费用和相关维保费用，可使其净现值和内部收益率逐步增大。故可通过申请政府补贴等方式，以降低建设投资使系统具有经济性，将设备投资降至50%时，蒸汽型高温相变储热系统的净现值为4万元＞0，系统具有经济性，且其内部收益率为9%，投资回收期为8.5 年。因此，可以通过争取清洁能源替代、绿色低碳替代等政策设备补贴降低系统投资成本。

2.3 蒸汽价格敏感性

以蒸汽定价价格315 元/蒸吨为标准，计算其分别上浮10%～50%时系统的蒸汽收费标准和净现值，具体如图4所示。

图4 蒸汽型高温固体储热系统蒸汽价格敏感性图

通过提高蒸汽收费标准，可使其净现值和内部收益率逐步增大。当蒸汽收费提高10%时（346元/蒸吨），蒸汽型高温相变储热系统的净现值为9 万元＞0，系统具有经济性，且其内部收益率为9%，投资回收期为8.3年。可见，随着天然气、煤炭价格的上涨，蒸汽价格随之提升，未来电储热蒸汽具有广阔的发展前景。

3 结语

本文介绍了蒸汽型高温固体储热技术的技术工作流程，以某制药公司的蒸汽需求参数为基础，结合当地电价政策，借助投资决策的动态评价方法，分析了蒸汽型高温固体储热系统的净现值、内部收益率和投资回收期，得到谷电价格降至20%、建设投资降至50%、蒸汽价格提升10%时，系统的净现值大于零，系统具有经济性。同时，提出系统的经济性不仅受当地天然气、煤炭价格对蒸汽价格影响，同时还受到谷电价格、电力市场交易价格及政府相应的支撑政策约束。