蔣三平 程一兵 陳錦芳 程興國
摘 要: 高溫固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cells,SOFC)是前沿的清潔能源轉換技術之一,也是可為設施農(nóng)業(yè)能源同時提供所需的熱、電和二氧化碳氣肥理想的能源裝置。從現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)能耗和SOFC 熱電聯(lián)供特征方面,系統(tǒng)闡明了SOFC 能源系統(tǒng)和設施農(nóng)業(yè)耦合的可行性及廣泛的應用前景。性能穩(wěn)定、低成本的SOFC 系統(tǒng)可以從根本上解決我國農(nóng)業(yè)大棚的能耗高、熱效率低、環(huán)境污染等嚴重問題,同時為SOFC 產(chǎn)業(yè)提供巨大的市場。
關鍵詞:設施農(nóng)業(yè);溫室技術;高能耗;固體氧化物燃料電池;熱電聯(lián)供
中圖分類號:S21文獻標識碼:A文章編號:2095-1795(2023)11-0046-08
DOI:10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.008
0 引言
我國耕地面積1.28 億hm2,人均耕地面積不到世界平均水平的40%。耕地是農(nóng)業(yè)的根基,發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、設施農(nóng)業(yè)和園區(qū)農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。農(nóng)業(yè)大棚數(shù)量龐大,我國已經(jīng)成為世界設施農(nóng)業(yè)大國[1]。我國農(nóng)業(yè)大棚類型可大致分為傳統(tǒng)燃煤大棚、智能溫室大棚和光伏大棚,農(nóng)業(yè)大棚的升溫方式主要包括明火升溫、熱風爐加溫、電熱線升溫、生態(tài)保溫、水暖加溫和熱水袋加溫等方式,其中前3種方式耗能較高,后3 種方式升溫效果不明顯。在所有升溫方式中,采用日光保溫和燃煤明火升溫的農(nóng)業(yè)大棚約占全部的80%。在有天然氣供給的地方,天然氣亦用于溫室冬季的加溫,但天然氣的供給和價格受國際市場波動的影響較大。 而且隨著化石原料的枯竭、大氣污染(酸雨、霧霾等)的加劇,以及全球氣候變暖對二氧化碳等溫室氣體的限排規(guī)定執(zhí)行,傳統(tǒng)的煤炭和石油資源越來越不滿足當今環(huán)保節(jié)約型社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。近年來,可再生能源(如太陽能、地熱能、生物質能)在一些節(jié)能示范工程中已取代了傳統(tǒng)的化石能源作為溫室的新型加溫熱源,但其投資成本大、運行費用高、供暖可靠性差的特點限制了其廣泛應用[2]。我國農(nóng)業(yè)大棚的供能方式普遍存在成本高、熱效率低、污染環(huán)境嚴重等問題。
溫室加熱技術能夠有效調控室內溫度和濕度,對農(nóng)作物品質、產(chǎn)量及培育周期具有重要影響,在我國得到大力發(fā)展。但溫室屬于一種高能耗的抗逆性生產(chǎn)設施,其能源消耗不容忽視。在我國西部和北方,全年一半以上時間需要對大棚溫室制熱和保溫;制冷需求主要在夏季。一般溫室的加溫能耗占溫室生產(chǎn)成本的30%~40%,高緯度地區(qū)的連棟溫室能耗甚至占溫室成本的50%~60%[3]。以楊凌示范區(qū)旱區(qū)特色設施農(nóng)業(yè)科技示范區(qū)項目連棟溫棚為例,4.1 萬m2 的用電總負荷設計2 526 kW、熱負荷設計6 900 kW、熱負荷指標0.168 kW/m2、冷負荷設計12 700 kW 及冷負荷指標0.308 kW/m2。高能耗費用是制約溫室、現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)推廣和發(fā)展的瓶頸和一個關鍵因素。在植物生長中二氧化碳是必需的氣肥,設施蔬菜在密閉條件下二氧化碳不足,直接導致蔬菜質量和產(chǎn)量下降。姚益平等[4]研究表明,增施二氧化碳能夠大幅提高黃瓜產(chǎn)量,降低黃瓜單位產(chǎn)量能耗,是增加溫室作物產(chǎn)量和提高能耗利用率的有效手段。因此,人工補充二氧化碳是實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。3 種主要類型的農(nóng)業(yè)大棚都無法通過單一設備同時滿足設施農(nóng)業(yè)能源所需的供熱、供電(制冷、水控、光控等)和供二氧化碳氣肥的需求。
溫室育種在種子領域發(fā)揮越來越重要的作用。根據(jù)《2019 年中國種業(yè)發(fā)展報告》,2018 年全國進口農(nóng)作物種子7 200 余萬kg,進口額4.75 億美元。其中蔬菜種子進口額2.28 億美元。種子是糧食安全的關鍵,加速培育國產(chǎn)種子,實現(xiàn)進口替代是當務之急。加代育種溫室對于種業(yè)快速發(fā)展至關重要。如溫室小麥加代技術,就是用溫室培育小麥縮短育種周期的常用小麥育種方法。在北方氣候條件下,大田一年只能種一季冬小麥,而育成一個小麥品種需要8~10 年,通過溫室小麥加代技術可以縮短小麥育種進程3~5 年。目前,其主要解決的痛點是能耗問題。尤其是在夏季室外溫度達到35 °C 以上,僅憑單一的自然通風方式已經(jīng)不能滿足設施種植和養(yǎng)殖的需要。標準的種苗連棟智能溫室普遍配置濕簾風機,高端加代育種溫室使用空氣能熱泵、地源熱泵等降溫系統(tǒng),可在一定程度內將溫度有效控制在適宜范圍。
設施農(nóng)業(yè)經(jīng)過一系列的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后可產(chǎn)出秸稈、牲畜糞便等農(nóng)業(yè)生物質,其中一部分可回歸農(nóng)業(yè)生產(chǎn),增強土壤質量,而多余部分是必須經(jīng)過裂解等方式進行處理。我國也是畜禽養(yǎng)殖大國,2015 年大牲畜養(yǎng)殖量數(shù)12 195.74 萬頭, 2020 年畜禽的糞便產(chǎn)生量約42.44 億t[5]。氨氣是牲畜糞便沼氣池處理主要污染氣體之一,畜禽糞便污染已居農(nóng)業(yè)源污染之首[6-7]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的發(fā)展,高污染、高能耗的用能模式已經(jīng)很難滿足經(jīng)濟社會的發(fā)展要求。在碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標和新能源的時代背景下,急需實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與新能源的協(xié)同高效可持續(xù)發(fā)展,逐步實現(xiàn)新能源與農(nóng)業(yè)的深層次耦合優(yōu)化,提高能源的利用率,以及糧食、蔬菜的產(chǎn)量與質量,提高種質資源的安全性和解決種子卡脖子的問題,減少消耗化石能源所帶來的環(huán)境污染問題,對維持糧食安全、能源安全和環(huán)境安全具有重要意義。因此,迫切需要找到一種能夠提供電、熱和二氧化碳氣肥以滿足現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)能源需求的環(huán)境友好、成本低,還可以利用農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生的沼氣和生物燃料的全新能源系統(tǒng)。
1 固體氧化物燃料電池
固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cells,SOFC)是全固態(tài)陶瓷結構的將燃料的化學能直接轉化為電能的電化學發(fā)電裝置。SOFC 突出的優(yōu)點:一是不受卡諾循環(huán)的限制,能量轉換效率顯著高于內燃機,發(fā)電過程產(chǎn)生的高質量余熱使熱電聯(lián)供(CHP)效率高達75%~80 %;二是全固態(tài)結構,不存在電解液的腐蝕和滲漏問題;三是運行溫度為高溫(600~900 °C),電極反應動力學快,無須使用貴金屬催化劑;四是燃料適用性廣,可以使用氫氣、天然氣、煤氣、生物質裂解氣和沼氣等作為燃料。SOFC 由燃料電極、電解質和空氣電極組成,典型的SOFC 包括致密的氧化釔、穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)電解質、鈣鈦礦結構的鍶摻雜的多孔錳酸鑭(LSM)或鍶摻雜的鈷鐵酸鑭(LSCF)陰極,以及多孔氧化鎳的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(Ni-YSZ)金屬陶瓷陽極,如圖1 所示。電解質需要足夠致密以避免燃料與空氣直接接觸。電極的多孔結構有助于將燃料和氧化劑及時傳輸?shù)椒磻稽c,并及時轉移反應產(chǎn)物。
以常見的氫氣為燃料的燃料電池為例說明SOFC中的電極反應。陰極以空氣中的氧氣為氧化劑,氧分子(O2)獲得電子后被電離為氧離子,氧離子隨后占據(jù)電解質中的氧空位變成晶格氧。氧離子通過氧空位穿過致密的YSZ 電解質到達陽極,與陽極上的氫分子(H2)發(fā)生反應生成H2O,同時向外電路釋放兩個電子。因此,整個反應是來自陰極的氧通過電解質上的氧空位進行遷移,在陽極側與氫結合形成水。同時,電子經(jīng)由外電路從陽極(負極)流向陰極(正極)做電功,產(chǎn)生功率輸出。因此,SOFC 中的總反應可以表述為[8]
反應中的正向箭頭表示SOFC 的放電模式。高溫SOFC 是完全可以可逆運行的,SOFC 的可逆運行是固體氧化物電解池,通過電解水蒸氣/二氧化碳獲得氫氣、一氧化碳或合成氣(氫氣和一氧化碳的混合氣),可將太陽能、風能等可再生能源存儲于燃料中,電解所需的能量可由熱能提供,降低了電能的需求,因此電解的電效率高達90%,相比低溫水電解具有熱力學和動力學上的雙重優(yōu)勢[9]。
由于SOFC 的高效率、燃料選擇靈活性和模塊性(即電效率不受系統(tǒng)功率輸出大小的影響),SOFC 特別適用于固定和分布式電源分布式發(fā)電,應用于家庭、數(shù)據(jù)中心和園區(qū)分布式發(fā)電,以及城市廚房垃圾沼氣發(fā)電系統(tǒng)等,如圖2 所示。盡管SOFC 具有高效率和顯著減少溫室氣體排放的優(yōu)點,但SOFC 在此類應用中產(chǎn)生的分布式發(fā)電是與電網(wǎng)的電競爭,在價格、設備成本和長期運行穩(wěn)定性方面還沒有表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢,而且在分布式發(fā)電方面,SOFC 系統(tǒng)并不是唯一的,還有其他選擇也可以提供穩(wěn)定的分布式發(fā)電,如低溫聚合物電解質膜燃料電池、柴油機動力系統(tǒng)等。
2 SOFC 能源系統(tǒng)與現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)深度耦合
SOFC 是一種在高溫(600~900 °C)下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置,其具有超低的污染物排放和高的熱力學效率,是幾種燃料電池中,理論能量密度最高的一種。以氫氣、天然氣為燃料時,發(fā)電效率可達 50%~65%,熱效率可達20%,熱電聯(lián)供效率可達 70%~80%,以天然氣、沼氣為燃料時,其產(chǎn)生的二氧化碳可作為植物光合作用生長的氣肥。SOFC 是當今前沿的清潔能源轉換技術之一,也是可為設施農(nóng)業(yè)能源同時提供所需的熱、電聯(lián)供和二氧化碳氣肥理想的能源裝置。
設施農(nóng)業(yè)在生物質能原料生產(chǎn)方面具有獨特優(yōu)勢,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后產(chǎn)生的秸稈、廢棄物、牲畜糞便等生物質可轉成裂解氣、沼氣。沼氣的主要成分有50%~80%甲烷(CH4)、20%~40% 二氧化碳(CO2)、0~5%氮氣(N2)、<1% 氫氣(H2)、<0.4% 氧氣(O2)、0.1%~3% 硫化氫(H2S),牲畜糞便的沼氣池含氨,含量500~600 mg/L。農(nóng)林廢棄物裂解氣的主要成分有35% 氫氣(H2)、31% 一氧化碳(CO)、16% 二氧化碳(CO2)、12% 甲烷(CH4)、2% 氮氣(N2),不含氧氣(O2)和硫化氫(H2S)。SOFC 的高溫特性使其可以直接使用農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生的沼氣和裂解氣作為燃料,供給農(nóng)業(yè)大棚所需的電、熱和二氧化碳氣肥,而多余的電可用于農(nóng)業(yè)操作的生活用電。高溫裂解氣和沼氣生產(chǎn)都有相當成熟的技術和工藝,可以減少天然氣的用量,同時極大地減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)所帶來的農(nóng)業(yè)源污染問題,進一步降低現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的能耗和成本,如圖3 所示。
SOFC 能源系統(tǒng)與現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)的跨界融合實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)和新能源雙主業(yè)驅動,是一種有效解決現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)(溫室、連棟溫室)高能耗、高成本、熱效率低和污染環(huán)境嚴重等問題的途徑。SOFC 能源系統(tǒng)引入使得設施農(nóng)業(yè)具有“源”和“荷”的雙重角色。通過能量和物質的相互轉化,設施農(nóng)業(yè)和SOFC 能源系統(tǒng)具有很強的產(chǎn)消互補性。一是SOFC 能源系統(tǒng)向設施農(nóng)業(yè)輸入電、熱、氣不同形式的能源,設施農(nóng)業(yè)經(jīng)過一系列的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后可產(chǎn)出秸稈、牲畜糞便等農(nóng)業(yè)生物質。二是農(nóng)業(yè)生物質可通過高溫裂解和沼氣發(fā)酵罐等設備所產(chǎn)生的可燃氣體作為SOFC 能源系統(tǒng)所需的燃料,產(chǎn)出的熱、電、氣又可維持設施農(nóng)業(yè)的運行。如此循環(huán),體現(xiàn)出設施農(nóng)業(yè)和SOFC 能源系統(tǒng)的產(chǎn)消互補性,實現(xiàn)傳統(tǒng)單向的能量流動模式轉變?yōu)槟芰扛咝Ю玫难h(huán)流動模式。三是設施農(nóng)業(yè)可為SOFC 能源系統(tǒng)發(fā)電設備提供安裝空間,能源系統(tǒng)反過來又可以為設施農(nóng)業(yè)提供運行動力,設施農(nóng)業(yè)和SOFC 能源系統(tǒng)產(chǎn)消互補示意如圖4 所示。
通過能量和物質的相互轉化,設施農(nóng)業(yè)和SOFC能源系統(tǒng)具有很強的產(chǎn)消互補性,設施農(nóng)業(yè)和能源系統(tǒng)的產(chǎn)消互補打破了現(xiàn)有能源和農(nóng)業(yè)行業(yè)的壁壘,促進了能源流與物質流之間的循環(huán)流動,實現(xiàn)了從傳統(tǒng)單向的能量流動模式轉變?yōu)槟芰扛咝Ю玫目沙掷m(xù)循環(huán)流動模式。SOFC 能源系統(tǒng)亦可以分布式可再生能源形式接入園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng),通過新能源和農(nóng)業(yè)工程領域的有效協(xié)同,推動農(nóng)業(yè)能源生產(chǎn)消費革命、可再生能源在現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)工程領域的應用,加強設施農(nóng)業(yè)?可再生能源資源優(yōu)化,對保障以能源安全和糧食安全為基礎的國家總體安全具有重要意義[10]。
從制造平臺來講,SOFC 可分為單電池、電堆和系統(tǒng)3 個部分[11]。對于現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè),SOFC 最基本要求是性能穩(wěn)定、可靠及制造成本低,其可以從根本上解決我國農(nóng)業(yè)大棚的高能耗成本、低熱效率和環(huán)境污染等問題,同時為SOFC 產(chǎn)業(yè)提供一個巨大的市場。一些發(fā)達國家的SOFC 技術比較成熟,處于商業(yè)化推廣前期,其中美國和日本分別發(fā)展了100 kW 級大型固定式電站和1 kW 級家用熱電聯(lián)供系統(tǒng),均實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化運行。其中的領軍企業(yè)包括美國BloomEnergy 公司(常壓平板式)和日本三菱重工(加壓管式)等。
較之于國外,我國SOFC 還處于實驗室研究與樣機研制階段,差距較大,尚未形成商業(yè)化的SOFC 模式,企業(yè)參與度不夠,并且SOFC 的產(chǎn)業(yè)鏈不完整。因此,急需一些企業(yè)和相關產(chǎn)業(yè)鏈的投入和研發(fā),提供完善的定制服務, 制定標準化流程, 帶動國內SOFC 行業(yè)和現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)發(fā)展。
3 SOFC 能源系統(tǒng)和設施農(nóng)業(yè)耦合可行性
3.1 連棟溫棚用能可行性分析
以楊凌某智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園為例。其是占地5 萬m2單體智能連棟溫室,主要以優(yōu)質番茄的新品種引進、示范及規(guī)?;a(chǎn)為核心業(yè)務,年產(chǎn)優(yōu)質番茄2 500 t,產(chǎn)值5 000 萬元。這座智能連棟溫室35% 的生產(chǎn)設備從荷蘭、西班牙等國家引進。溫室最突出的特點是智能化管控,室內的頂部天窗、簾幕、高壓彌霧、環(huán)控和水肥13 個設備都采用歐洲進口智能設備系統(tǒng)。其能源系統(tǒng)包括鍋爐(已建)、補光鈉燈系統(tǒng)(規(guī)劃建設中)。
鍋爐設計規(guī)模為2 臺5 600 kW 天燃氣真空熱水鍋爐, 額定工作壓力1.0 MPa, 額定出水/回水溫度95 °C/70 °C, 鍋爐配置循環(huán)泵6 臺。鍋爐每年運行180 d,為10 月15 日—次年4 月15 日。24 h/d 運行,其中 8 h 高負荷 ( 80% 負荷) 運行, 16 h 低負荷(50% 負荷) 運行。鍋爐及配套運行用電量20 萬kW·h/年。補光鈉燈系統(tǒng)設計規(guī)模為60 W/m2,總電負荷約3 500 kW。規(guī)劃制冷配置溴化鋰空調、空氣源熱泵、濕簾風機等設備實現(xiàn)每年7 月15 日—10 月15日的連續(xù)生產(chǎn)所需的冷負荷。同時新建與之配套的電氣工程、給排水工程、控制工程和供碳設施等。項目根據(jù)JB/T 10297—2014《溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范》,計算溫室大棚所需的熱負荷,溫室熱負荷 QR 計算如下
式中 QR——總熱損失, W
Q1——溫室圍護結構 (包括墻體、透光屋面、不透光后坡、門窗等) 的傳熱損失, W
Q2——滲透熱損失(室內外空氣交換造成的熱損失) , W
Q3——地面熱損失(溫室地面散熱造成的熱損失), W
uj——第j 種圍護結構傳熱系數(shù),W/(m2·K)
Aj——第j 種圍護結構比表面積,m2
n1——圍護結構種數(shù)
t內——室內設計溫度,℃
t外——室外設計溫度,℃
V——溫室空氣體積,m3
k風速——風速因子
N——每小時換氣次數(shù)
ui——第i 區(qū)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K)
Ai——第i 區(qū)溫室面積,m2
n2——計算點距外圍護結構距離分區(qū),取3根據(jù)JB/T 10 297—2014《溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范》,室內設計溫度 t內取 12 °C ,室外設計溫度 t外 取?8 °C ,大棚(長×寬×高)為 310 m×170 m×8 m ,大棚圍護結構為雙層玻璃,傳熱系數(shù)按照規(guī)范所列進行選取,圍護結構的傳熱系數(shù)u 取4.0 W/(m2 ·K) ,地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值如表1 所示。
根據(jù)式(2)~式 (4)計算得:Q1=4 700 kW ,Q2=4 200 kW,Q3=120 kW, 因此,QR=9 020 kW??紤]到供熱設備的經(jīng)濟負荷范圍,一般都在鍋爐額定負荷的75%~90%,按照 80% 取值,供熱總負荷 11 200 kW 。根據(jù)實踐經(jīng)驗,關中地區(qū)的連棟溫室冷負荷為熱負荷的1.8 倍,溫室供冷總負荷20 200 kW。
目前,真空熱水鍋爐采用天然氣供能,根據(jù)鍋爐的運行時間和運行負荷計算天然氣最大耗氣量約319萬m3/年,1.77 萬m3/d。鑒于國內天然氣價格不斷攀升,同時冬季生產(chǎn)用天然氣和民用天然氣供應沖突,天然氣持續(xù)穩(wěn)定供給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨巨大挑戰(zhàn)。溫室的冷、熱、電負荷和碳需求如表2 所示。
園區(qū)計劃采用有機固廢裂解氣和SOFC 等先進技術,解決生產(chǎn)所需的冷、熱、電和碳,降低生產(chǎn)成本。假定SOFC 的能量轉化效率80% 以上(直接發(fā)電效率60%,熱電聯(lián)產(chǎn)綜合能量效率80%),壽命40 000 h。項目采用有機固廢裂解+SOFC 滿足冷、熱、電和碳的供給,按照電負荷+冷負荷配置能力。項目主要考慮3個方面。一是按照最大負荷配置,不需要外部能源即可滿足需要,從而節(jié)約運行成本。二是無論制冷還是供熱,電的效率最高。因此當余熱不能滿足供熱的需求時,用電驅動空氣能熱泵滿足供熱;供冷利用溴化鋰空調實現(xiàn),不足部分用電驅動空氣能熱泵制冷滿足。三是非供熱、供冷時段的余熱可回收發(fā)電。因量不大,余熱回收發(fā)電收入在計算盈虧平衡時忽略不計。
有機固廢裂解工藝采用高溫裂解工藝,涉及垃圾分揀、脫水、破碎、裂解制氣、冷卻、過濾、副產(chǎn)物制碳棒、燃料氣發(fā)電。其上下游生產(chǎn)裝置關系如圖5所示。
有機固廢分選、破碎后通過膠帶輸送至裂解爐的主反應爐(高溫裂解爐)。原料在完全密閉、1 250 °C高溫、負壓條件下裂解,釋放出H2、CO、CO2、CH4、N2 及碳2 烴類等氣體,形成高氫可燃混合氣體。每噸有機固廢裂解生產(chǎn)1 000 m3 高氫可燃混合氣體。氣體組分如表3 所示。
基于以上條件,評估了滿足5 萬m2 連棟溫室的最大用能配置為冷負荷與電負荷之和,因此需要配置SOFC 發(fā)電設備23 700 kW。用冷、熱、電和碳5 年的綜合收益,計算出保證盈虧平衡條件下,該場景可以承受的SOFC 設備的樂觀采購價格和保守采購價格。模型一,SOFC 設備樂觀采購價格。
由表4 可知,樂觀估計采用有機固廢裂解+SOFC為5 萬m2 連棟溫室供應冷、熱、電、碳,5 年總收入6.5 億元。2022 年綠電交易價格平均0.5 元/(kW·h),5 年售電收入4.7 億元,占總收入的72%。同時,模型考慮了捕集二氧化碳凈收入0.15 元/kg、碳匯收入50元/t、固廢處理凈收入50 元/t。該模型下SOFC 的盈虧平衡采購價格27 391 元/kW,即運營5 萬m2 的連棟溫室,能夠承擔2.7 萬元/kW 的SOFC 設備投入,同時保證其番茄種植的正常利潤。
模型二,SOFC 設備保守價格。
由表5 可知,保守估計采用有機固廢裂解+SOFC為5 萬m2 連棟溫室供應冷熱電碳,5 年總收入4.3 億元。2022 年標桿電價平均0.39 元/(kW·h),5 年累計售電收入3.7 億元,占總收入的85%。模型未考慮碳匯收入、固廢處理凈收入。
主要原因是CCER 尚未啟動,碳匯無法變現(xiàn);有機固廢和農(nóng)林廢棄物收集費用會逐年增加。捕集二氧化碳凈收入按照0.05 元/kg 凈收入計算,主要考慮隨著雙碳政策的實施,農(nóng)用二氧化碳的價格會越來越低。該模型下SOFC 的盈虧平衡采購價格18 272 元/kW,即運營5 萬m2 的連棟溫室,項目能夠承擔1.8 萬元/kW的SOFC 設備投入,同時保證其番茄種植的正常利潤。
綜上所述,在標準連棟溫室場景下,采用有機固廢裂解+SOFC 供應冷熱電碳,其可承受的SOFC 設備采購價格1.8 萬~2.7 萬元/kW。
3.2 種苗植物工廠可行性分析
植物工廠是對光、溫、濕、二氧化碳及營養(yǎng)等生長環(huán)境條件全智能控制的植物高效穩(wěn)定生產(chǎn)系統(tǒng)。其生產(chǎn)出的植物品質優(yōu)、產(chǎn)量高、周期短、污染少及效益高,代表未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。
植物工廠需要計算機和多種傳感器對環(huán)境進行精確控制、測量和反饋,能根據(jù)不同的植物設置溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等,可實時測量植物的生長和生理狀態(tài),生成數(shù)據(jù)并反饋至控制系統(tǒng),實現(xiàn)對環(huán)境高精度、智能化控制。我國2013 年正式把植物工廠列入國家863 計劃。
植物工廠重點采用新的基因技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和人工智能技術,培育更適宜人工栽培的植物品種,營造更適合植物品種生長的工廠環(huán)境,建立更節(jié)省人力資源的生產(chǎn)流程,提高植物工廠農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭能力。植物工廠對于種苗的批量培育、加代育種方面都能發(fā)揮更大作用。
目前,全球植物工廠最大的商業(yè)化瓶頸是能源成本高,這直接導致只有少數(shù)場景能夠實現(xiàn)盈虧平衡。據(jù)實地調研,超過1 萬m2 的植物工廠,建設費用在1 萬元/m2 以上。能耗125 W/m2,其中84% 為照明及智能設備用電,16% 為空調用能。同時,植物工廠需要精準調控,必然采集的數(shù)據(jù)越來越多,其對算力能耗的需求也會越來越大。因此,植物工廠的能耗結構非常適合SOFC+有機固廢裂解提供冷熱電碳一體化方案。
以楊凌規(guī)劃中的5 萬m2 植物工廠為例,其電負荷達到6 000 kW,配置相應SOFC 即可保證植物工廠持續(xù)、穩(wěn)定供電。同時,SOFC 發(fā)熱用于植物工廠供冷或供暖, 余熱可以發(fā)電自用或上網(wǎng)。如果保守估計SOFC 設備的采購價未來10 年內平均1 萬元/kW,電成本可以降到0.31 元/(kW·h),如表6 所示。如果根據(jù)低溫聚合物電解質膜燃料電池降本速度,樂觀估計10 年中SOFC 的采購價平均可達到5 000 元/kW,屆時該植物工廠電成本為0.19 元/(kW·h),如表7 所示。
SOFC 的價格關系植物工廠的運營成本,進而關乎植物工廠商業(yè)模式的可行性。SOFC+有機固廢裂解模式是解決植物工廠痛點的有效方案。隨著SOFC 技術越來越成熟,植物工廠在種業(yè)大面積應用必將給我國種子產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新動力。
3.3 應用市場及前景
根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院設施農(nóng)業(yè)研究所2019 年發(fā)布的《我國設施園藝裝備發(fā)展現(xiàn)狀和建議》數(shù)據(jù),全國大中拱棚以上的設施面積達370 萬hm2,占世界設施園藝面積的80%;連棟溫室面積99.9 萬hm2,占全國設施面積的27%。連棟玻璃溫室被稱為裝備水平最高的溫室,我國有9 000 hm2,僅次于荷蘭(10 800hm2),位居世界第2 位。如果按照100 W/m2 負荷配置SOFC, SOFC 的售價1 萬元/kW,僅連棟玻璃溫室的SOFC 市場規(guī)模就達到900 萬kW,900 億元。如果擴展到全部連棟溫室,SOFC 市場規(guī)模將達90 億kW,9 萬億元。隨著國家種業(yè)、設施農(nóng)業(yè)的跨越式發(fā)展,垂直農(nóng)場、植物工廠等新模式興起,在農(nóng)業(yè)領域應用SOFC 全方位解決生產(chǎn)用冷熱電碳的方案潛力巨大。
4 結束語
農(nóng)業(yè)新技術不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)大棚不僅僅需求調控溫度,濕度、二氧化碳濃度等也需要調控,以生產(chǎn)出高附加值的經(jīng)濟作物。SOFC 技術完全滿足農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)階段急需解決的問題,其具有高的能量利用率,持續(xù)電能輸出,同時反應產(chǎn)生水和二氧化碳,以及SOFC系統(tǒng)的余熱,可以通過排放系統(tǒng)精準調控大棚環(huán)境中的濕度、二氧化碳濃度和溫度,對環(huán)境要求苛刻的無土栽培技術、持續(xù)日照作物、優(yōu)良種子培育等均可廣泛推廣。初步估算表明,如果SOFC 系統(tǒng)的采購價能在1 萬~ 2 萬元/kW, 連續(xù)使用壽命達5 年4 萬h,SOFC 系統(tǒng)將可以商業(yè)意義上廣泛用于智能連棟溫室、種苗植物工廠等現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)工程領域。
對于現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè),性能穩(wěn)定、可靠、低成本的SOFC 能源系統(tǒng)可以根本上解決我國農(nóng)業(yè)大棚的高能耗成本、低熱效率和環(huán)境污染等問題,同時為SOFC 產(chǎn)業(yè)提供一個巨大的市場。
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