基于金屬氫化物的太陽能熱電站高溫蓄熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

鮑澤威，吳 震，孟翔宇，楊福勝，張?jiān)缧＃?

(1.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049;2.西安交通大學(xué) 蘇州研究院，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

在各種可再生能源中，太陽能熱發(fā)電具有發(fā)電成本低、生產(chǎn)適應(yīng)性強(qiáng)、適于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，受到了各國政府和研究者的普遍關(guān)注[1，2]。高溫蓄熱裝置是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng)。蓄熱的方法按照原理可以分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和熱化學(xué)反應(yīng)蓄熱三類?，F(xiàn)在主流的太陽能熱發(fā)電蓄熱裝置是兩融鹽罐蓄熱系統(tǒng)，屬于顯熱蓄熱，存在著蓄熱密度低、成本高、低溫凝固、高溫分解和腐蝕等問題[2]。很多研究人員在開發(fā)高溫混凝土顯熱蓄熱技術(shù)[3，4]，但混凝土的蓄熱密度過低，影響了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。潛熱蓄熱的蓄熱密度大，但存在著導(dǎo)熱系數(shù)低等問題，還不能商業(yè)應(yīng)用[4]。熱化學(xué)反應(yīng)蓄熱具有更大的能量儲(chǔ)存密度，而且不需要保溫，可以在常溫下無損失地長期儲(chǔ)存熱能。熱化學(xué)反應(yīng)蓄熱體系包括氨的分解反應(yīng)、碳酸鹽化合物的分解反應(yīng)、金屬氫化物的分解反應(yīng)和無機(jī)氫氧化物的熱分解反應(yīng)等幾種[5]。其中，儲(chǔ)氫合金與氫氣結(jié)合生成金屬氫化物的一類可逆化學(xué)反應(yīng)具有能量儲(chǔ)存密度大、腐蝕性低和反應(yīng)易于控制等優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的高溫蓄熱體系。德國的馬普研究所對(duì)Mg基金屬氫化物高溫蓄熱技術(shù)進(jìn)行了長期研究，開發(fā)了高溫蓄熱系統(tǒng)樣機(jī)[6～8]。馬普研究所還與斯圖加特大學(xué)合作將金屬氫化物蓄熱技術(shù)應(yīng)用于小型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由太陽能集熱器、金屬氫化物蓄熱裝置和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等幾部分組成，蓄熱裝置裝填了MgH2材料約24 kg，蓄熱量達(dá)到了50 MJ，工作溫度范圍為300～480℃[6]。Meng等[9]建立了金屬氫化物蓄熱反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型，研究了其內(nèi)部的熱質(zhì)傳遞特性，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器傳熱性能對(duì)整個(gè)蓄熱系統(tǒng)的性能具有決定性的影響。澳大利亞EMC Solar Ltd．公司設(shè)計(jì)了一個(gè)100 kW斯特林太陽能熱電站，此電站采用CaH2作為蓄熱材料，總蓄熱量為4 320 kW·h，可以滿足 18 h 蓄熱需求[10]。

本文通過建立金屬氫化物高溫蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析模型，估算了此系統(tǒng)的總成本和單位蓄熱成本，分析了不同蓄熱方案的成本，討論了材料價(jià)格和總蓄熱量變化對(duì)單位蓄熱成本的影響。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理簡介

金屬氫化物的氫化/脫氫反應(yīng)可由下式表示[11]:

式中:M為儲(chǔ)氫合金;MHx為反應(yīng)產(chǎn)物即金屬氫化物;ΔH表示反應(yīng)焓變，即反應(yīng)熱效應(yīng)。對(duì)于高溫蓄熱系統(tǒng)，一般采用Mg基儲(chǔ)氫合金作為蓄熱材料，已經(jīng)開發(fā)出來的材料包括MgH2(可以通過添加少量Ni或Fe元素來改善其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性 能)、Mg2NiH4、Mg2FeH6、Mg2CoH5和Mg6Co2H11等幾種[7]。

金屬氫化物高溫蓄熱系統(tǒng)主要包括“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫反應(yīng)器”和“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫罐”兩種結(jié)構(gòu)形式[6]，如圖1所示。圖1(a)所示的系統(tǒng)由高溫蓄熱反應(yīng)器、金屬氫化物儲(chǔ)氫反應(yīng)器和閥門等部件構(gòu)成。高溫蓄熱反應(yīng)器內(nèi)填充有Mg基金屬氫化物，儲(chǔ)氫反應(yīng)器內(nèi)一般填充稀土系儲(chǔ)氫合金。此系統(tǒng)的工作原理與研究廣泛的金屬氫化物熱泵是相似的，其工作流程敘述如下:加熱蓄熱反應(yīng)器使其內(nèi)部的Mg基金屬氫化物分解，釋放出的氫氣與儲(chǔ)氫反應(yīng)器內(nèi)的儲(chǔ)氫合金反應(yīng)，放出的熱量被冷卻水吸收，這就實(shí)現(xiàn)了蓄熱過程;當(dāng)需要高溫?zé)崃繒r(shí)，采用低溫?zé)嵩?(如工廠廢熱、地?zé)岬?對(duì)儲(chǔ)氫反應(yīng)器進(jìn)行加熱，釋放出的氫氣與Mg基儲(chǔ)氫合金反應(yīng)，放出熱量，即為熱量釋放的過程。熱量的儲(chǔ)存和釋放過程可以通過兩個(gè)反應(yīng)器之間的閥門方便地控制。

圖1(b)所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與前者相似，主要區(qū)別是其采用儲(chǔ)氫罐替代金屬氫化物儲(chǔ)氫反應(yīng)器。蓄熱過程中對(duì)儲(chǔ)氫反應(yīng)器進(jìn)行加熱，氫化物分解放出的氫氣由儲(chǔ)氫罐暫時(shí)儲(chǔ)存，當(dāng)需要放出熱量時(shí)，打開相應(yīng)的閥門，氫氣從儲(chǔ)氫罐注入到蓄熱反應(yīng)器中與儲(chǔ)氫合金反應(yīng)放出熱量，這樣就實(shí)現(xiàn)了熱量儲(chǔ)存與釋放過程。

圖1 基于金屬氫化物的高溫蓄熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of high temperature thermal energy storage system based on metal hydride

2 蓄熱成本估計(jì)

大漢電站是我國第一臺(tái)太陽能塔式熱發(fā)電示范電站，其需求的總蓄熱量是24 000 MJ，蓄熱溫度約為390℃。本文采用的蓄熱材料為Mg/MgH2+2wt%Ni，其儲(chǔ)氫量為6wt%，蓄熱能量密度為 2 257 kJ/kg[7]。在此蓄熱溫度下，由式(2) 得到反應(yīng)平衡壓力約為1.42 MPa[7]。

對(duì)于“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫反應(yīng)器”蓄熱系統(tǒng)，選用的儲(chǔ)氫材料為 MmNi4.6Al0.4，其儲(chǔ)氫量為1.15wt%[12]。蓄熱反應(yīng)器和儲(chǔ)氫反應(yīng)器的殼體和換熱裝置都采用不銹鋼316L制造，用量按照儲(chǔ)氫合金質(zhì)量的一半估算。對(duì)于“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫罐”蓄熱系統(tǒng)，儲(chǔ)氫罐為鋼制球罐，制造材料為國產(chǎn)15MnNbR低合金鋼。根據(jù)氫氣的壓力和質(zhì)量，球罐設(shè)計(jì)容積為550 m3，直徑為10.2 m，名義壁厚為22 mm。

兩種結(jié)構(gòu)形式蓄熱系統(tǒng)所需要的材料用量如表1所示。Mg/MgH2+2wt%Ni的價(jià)格為1.9萬元/t，MmNi4.6Al0.4的價(jià)格為26.5萬元/t，不銹鋼316L的價(jià)格為2.36萬元/t，15MnNbR的價(jià)格為0.45萬元/t，氫氣的價(jià)格為2.0萬元/t，建造及其他費(fèi)用按材料總成本的20%估算。計(jì)算得到的各部分成本及所占百分比列于表2，兩種結(jié)構(gòu)形式蓄熱系統(tǒng)的單位蓄熱成本分別為784.58元/MJ和29.75元/MJ，兩者的差別主要是由儲(chǔ)氫成本的差異造成的，兩者儲(chǔ)存單位質(zhì)量氫氣的成本分別為2 888.3萬元/t和48.0萬元/t。 “蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫反應(yīng)器”蓄熱系統(tǒng)的儲(chǔ)氫成本遠(yuǎn)高于第二種系統(tǒng)，這是因?yàn)閮?chǔ)氫合金 MmNi4.6Al0.4非常昂貴。儲(chǔ)氫成本分別占到兩者總成本的78%和56%以上，采用低成本的儲(chǔ)氫方法，可以有效降低蓄熱成本。

表1 主要材料用量Tab.1 The main material consumption

圖2給出了不同蓄熱方案的成本比較，圖中前四種蓄熱方案的造價(jià)來自文獻(xiàn)[13]，第五種蓄熱方案的成本數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[14]。由圖可知，“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫反應(yīng)器”蓄熱系統(tǒng)的成本最高，“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫罐”蓄熱系統(tǒng)的成本最低，初步估計(jì)不到最常見的兩熔鹽罐蓄熱系統(tǒng)成本的四分之一。需要指出的是，成本估算過程中忽略了蓄熱材料使用壽命、系統(tǒng)傳遞特性等因素，操作成本計(jì)算也較簡略，估算過程偏理想。當(dāng)然這些因素都是今后系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化的方向，在解決了上述問題的情況下成本會(huì)接近理想情況。

表2 金屬氫化物蓄熱系統(tǒng)成本Tab.2 Cost of metal hydride thermal storage systems

圖2 不同高溫蓄熱系統(tǒng)成本比較Fig．2 Cost of different high temperature thermal storage systems

3 敏感性分析

圖3給出了各種材料價(jià)格下降20%時(shí)對(duì)兩種金屬氫化物蓄熱系統(tǒng)的單位蓄熱成本影響。從圖3(a)可知，MmNi4.6Al0.4價(jià)格下降20%時(shí)，單位蓄熱成本下降得最多，說明單位蓄熱成本對(duì)MmNi4.6Al0.4價(jià)格最敏感。不銹鋼316L的價(jià)格是第二敏感的參數(shù)，因?yàn)槠鋬r(jià)格比較高，用量也比較大。Mg/MgH2+2 wt%Ni和氫氣的價(jià)格分別是第三和第四敏感的參數(shù)，對(duì)單位蓄熱成本變化影響很小。從圖3(b)可知，對(duì)于“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫反應(yīng)器”蓄熱系統(tǒng)，15MnNbR價(jià)格是影響單位蓄熱成本的最敏感的參數(shù)。Mg/MgH2+2 wt%Ni和不銹鋼316L的價(jià)格分別是第二和第三敏感的參數(shù)。氫氣對(duì)單位蓄熱成本變化的影響最小，是最不敏感的參數(shù)。

“蓄熱反應(yīng)器 +儲(chǔ)氫罐”高溫蓄熱系統(tǒng)的成本比較低，總蓄熱量變化對(duì)其單位蓄熱成本的影響如圖4所示。從圖中可知，總蓄熱量越大單位蓄熱成本越低，因此蓄熱量越大經(jīng)濟(jì)性會(huì)越好，但是當(dāng)總蓄熱量大于400 000 MJ后，單位蓄熱成本變化很小。當(dāng)蓄熱量很大時(shí)，儲(chǔ)氫罐很大，壁厚很厚，可以采用多個(gè)儲(chǔ)氫罐來存儲(chǔ)氫氣，這樣既方便安裝與維護(hù)又提高了安全性。

圖3 各種材料價(jià)格對(duì)單位蓄熱成本影響的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of cost of various materials influencing cost per kWht

圖4 總蓄熱量對(duì)單位蓄熱成本的影響Fig.4 Effect of the total quantity of thermal storage on cost per kWht

4 能源平均成本

能源平均成本是國際上通用的比較可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。文獻(xiàn)[15]中的能源平均成本定義如下:

式中:LEC為能源平均成本;CC為總初投資;i為利率;D為系統(tǒng)壽命;O＆M為年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用;A為年凈發(fā)電量，kW·h。

本文以大漢電站為分析對(duì)象，此電站雖然是偏重于技術(shù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的示范性電站，并不以商業(yè)運(yùn)營為目的[14]，但對(duì)其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究依然具有重要的意義。大漢電站鏡場(包括控制系統(tǒng)、安裝費(fèi)用、線纜等)的造價(jià)為2 000萬元，電站汽輪機(jī) (包括控制系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)等)價(jià)格為180萬元，蓄熱系統(tǒng)造價(jià)約為470萬元，接收塔造價(jià)為200萬元，此電站的年凈發(fā)電量約為 130萬 kW·h[14]。計(jì)算中系統(tǒng)壽命取 30年，利率取為 6%[15]，人工費(fèi)用取為200萬元/年[14]，年運(yùn)行費(fèi)用按總初投資的1%估算。由式 (3)中得到LEC為3.35元/kW·h。當(dāng)采用 “蓄熱反應(yīng)器 +儲(chǔ)氫罐”金屬氫化物蓄熱系統(tǒng)時(shí)，蓄熱系統(tǒng)造價(jià)降低為71.4萬元，相應(yīng)地LEC下降到3.10元/kW·h，約下降了7.56%。

5 結(jié)論與展望

(1)通過建立金屬氫化物高溫蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析模型，分析了不同類型的太陽能高溫蓄熱系統(tǒng)的成本，初步估計(jì)，“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫罐”高溫蓄熱系統(tǒng)的單位蓄熱成本只有最常見的兩熔鹽罐蓄熱系統(tǒng)的四分之一左右。

(2)對(duì)于“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫反應(yīng)器”蓄熱系統(tǒng)，不同材料成本對(duì)單位蓄熱成本影響的敏感性排序?yàn)?MmNi4.6Al0.4＞不銹鋼316L＞Mg/MgH2+2wt%Ni＞氫氣;對(duì)于“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫罐”蓄熱系統(tǒng)，敏感性排序?yàn)?15MnNbR ＞Mg/MgH2+2 wt%Ni＞不銹鋼316L＞氫氣。

(3)對(duì)于“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫罐”蓄熱系統(tǒng)，總蓄熱量越大單位蓄熱成本越低，當(dāng)總蓄熱量大于400 000 MJ后，單位蓄熱成本下降很小。

(4)對(duì)于大漢太陽能熱電站，采用“蓄熱反應(yīng)器+儲(chǔ)氫罐”蓄熱系統(tǒng)后能源平均成本預(yù)計(jì)可下降到3.10元/kW·h，下降了7.56%。

(5)金屬氫化物蓄熱技術(shù)目前還不成熟，本文研究中所作的簡化較多，后續(xù)的研究中會(huì)建立蓄熱系統(tǒng)模型和實(shí)驗(yàn)裝置，考慮更多的影響因素，完善金屬氫化物高溫蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性模型。

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