固体氧化物燃料电池供能系统技术经济性分析

姜 鑫, 金文龙

(北京市燃气集团研究院, 北京 100011)

1 概述

燃料电池是一种能够连续将燃料化学能直接转化为电能的化学电源装置,在能量转化过程中无需热机的燃烧过程和传动设备,效率不受卡诺循环限制,能量转化率最高可达83%,为内燃机的2～3倍。燃料电池结构简单且没有运动组件,没有振动,噪声很低,损耗小,寿命长。本文结合工程实例,对以固体氧化物燃料电池(SOFC)为核心装置的供能系统的技术经济性进行分析。

2 用能场景

北京某医院建筑面积7.4×104m2,医院对供电可靠性要求较高,拟建设能源站满足医院的冷、热、电、生活热水需求。项目周边天然气供应条件好,气量充足。

2.1 负荷特征

为便于进行全年供能情况分析,将典型日逐时负荷(含冷、热、电、生活热水负荷)作为基准,将用户日逐时负荷率划为4档:100%、75%、50%、25%,用户日逐时负荷率及对应时间见表1。医院供暖期、供冷期、过渡期典型日逐时负荷分别见图1～3。图中时段编号1代表0:00—1:00,以此类推。

图1 医院供暖期典型日逐时负荷

图2 医院供冷期典型日逐时负荷

图3 医院过渡期典型日逐时负荷

表1 用户日逐时负荷率及对应时间

热价按照91.6 元/GJ计算,冷价按照180 元/GJ计算。生活热水价格按照30 元/t计算。供暖期天然气价格为2.60 元/m3,非供暖期天然气价格为2.29 元/m3。北京地区不同时段市电价格见表2。燃料电池供电价格按照商业平均电价0.773 1 元/(kW·h)计算。

表2 北京地区不同时段市电价格

2.2 用能特点

① 全天存在电负荷需求。医院内一些维持生命的设备即使夜间也在运行,因此夜晚也有一定电负荷,8:00—19:00为用电高峰。

② 供暖期全天存在供暖需求。热负荷主要集中在8:00—21:00,高峰出现在21:00前后,典型日最大热负荷为4 712.27 kW。

③ 供冷期全天存在供冷需求。冷负荷主要集中在9:00—16:00,高峰出现在16:00前后,典型日最大冷负荷为6 031.75 kW。

④ 全年均有生活热水需求,生活热水主要用于杀菌、消毒、洗衣等用途,8:00—16:00是高峰时段,最大生活热水负荷为771.43 kW。

3 燃料电池供能方案

燃料电池供能方案以燃料电池为核心装置,采用换热器回收电堆余热。采用直燃型溴化锂吸收式机组(简称直燃机)、离心式冷水机组、燃气锅炉为冷热负荷调峰设备。采用蓄电池储电、蓄热水罐储热。燃料电池供能方案主要设备的额定容量、技术参数见表3。

表3 燃料电池供能方案主要设备的额定容量、技术参数

燃料电池供能方案流程见图4。供冷期,优先采用离心式冷水机组制冷,不足冷量由直燃机补充。燃料电池发电余热先为用户供应生活热水,若剩余,储存于蓄热水罐,若不足,则由蓄热水罐补充。燃料电池发电优先用于驱动离心式冷水机组,其次供应用户,若有剩余则利用蓄电池储存,若不足则外购市电。离心式制冷机、直燃机供、回水温度均为7、12 ℃。燃料电池热电联供装置供、回水温度为80、60 ℃。供冷期燃气锅炉停运。

图4 燃料电池供能方案流程

供暖期,生活热水负荷由燃气锅炉承担。供暖热负荷优先由燃料电池发电余热和蓄热水罐提供,不足部分由直燃机提供。燃料电池发电先向用户供电,若有剩余则利用蓄电池储存,若不足则外购市电。直燃机、燃料电池热电联供装置供、回水温度均为80、60 ℃,燃气锅炉供水温度为80 ℃。供暖期离心式冷水机组停运。

过渡期,燃料电池发电先向用户供电,若有剩余则利用蓄电池储存,若不足则外购市电。生活热水由燃料电池热电联供装置供应,若有剩余则利用蓄热水罐储存。燃料电池热电联供装置供、回水温度为80、60 ℃。过渡期离心式冷水机组、直燃机、燃气锅炉停用。

4 经济性分析

燃料电池供能方案主要设备购置费见表4。由表4数据可知,燃料电池供能方案主要设备购置费为18 807.69×104元。

表4 燃料电池供能方案主要设备购置费

经测算,医院年用电量为898×104kW·h/a,其中燃料电池年供电量为721×104kW·h/a,外购市电量为177×104kW·h/a。供暖期天然气消耗量为142×104m3,非供暖期天然气消耗量为114×104m3。生活热水年供水量为7 200 t/a,年供热量为26 491 GJ/a,年供冷量36 046 GJ/a。

由各项能源价格及燃料电池供电价格,可计算得到:项目年成本为720.6×104元/a,年收益为1 470.5×104元/a。由此可计算得到项目年利润为749.9×104元/a,设备购置费为18 807.69×104元,项目设备购置费回收期为25.1 a,项目不具有经济性。分析设备购置费构成可知,设备购置费回收期过高的主要原因在于燃料电池购置费过高。根据王逊等人[1]的研究结果,当固体氧化物燃料电池供能方案与基准方案(采用燃气内燃机发电机组)设备购置费相同时,1 500 kW级别的燃料电池价格约1×104元/kW。若按这种价格水平测算,该医院供能项目设备购置费为8 307.69×104元,设备购置费回收期可缩短至11.1 a,项目具备一定经济性。因此,对于燃料电池供能系统,在能源价格相对稳定的前提下,影响系统经济性的主要因素为燃料电池价格。

5 结论

按燃料电池价格8×104元/kW进行测算,设备购置费回收期为25.1 a,项目不具备经济性。当燃料电池价格降至合理水平,按1×104元/kW进行测算,设备购置费回收期可缩短至11.1 a,项目具备一定经济性。对于燃料电池供能系统,在能源价格相对稳定的前提下,影响系统经济性的主要因素为燃料电池价格。