甲醇重整燃料電池熱電聯(lián)供經(jīng)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(guī)模儲能方面有著十分重要的應(yīng)用，且結(jié)合甲醇重整的燃料氫電池為依據(jù)，有望能夠在世界的清潔能源體系中有著十分重要的應(yīng)用，提升清潔能源在社會發(fā)展中的重要地位。

甲醇重整燃料電池；熱電聯(lián)供；經(jīng)濟性

1 引言

氫能源具有來源廣泛、清潔低碳、靈活高效等優(yōu)點，具有廣泛的適用范圍和獨特的優(yōu)勢，將是推動中國新一輪能源革命的關(guān)鍵載體，也是實現(xiàn)交通和工業(yè)等領(lǐng)域規(guī)模化深度脫碳的理想途徑。氫能源的有效開發(fā)與應(yīng)用離不開“卡諾循環(huán)”，可實現(xiàn)燃料中的化學(xué)能向電、熱轉(zhuǎn)換，且理論轉(zhuǎn)換效率超過90%，是一種非常有效的氫能源技術(shù)。

2 甲醇重整燃料電池相關(guān)分析

2.1 甲醇重整燃料電池定義與內(nèi)容

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為甲醇，再將其轉(zhuǎn)化為燃料。與傳統(tǒng)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(yōu)點。由于甲醇所產(chǎn)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(fā)生冰霜，DMFC 的薄膜就會破裂。相對于直接RMFC 而言，RMFC 的優(yōu)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(yīng)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(zhuǎn)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(yōu)點。RMFC 包括燃料處置系統(tǒng)、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(yè)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(yù)混液），100%甲醇具有更小的能耗，但其陰極水凝結(jié)導(dǎo)致的系統(tǒng)復(fù)雜度更高。RMFC 的燃油費用一般在（常規(guī)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(huán)使用的甲醇來自市政廢物或可持續(xù)發(fā)電）。相對于常規(guī)的（瓶）氫驅(qū)動的低溫質(zhì)子交換膜（質(zhì)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(nèi)部系統(tǒng)與部件分析

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

②燃料電池。氫氣轉(zhuǎn)化（H2）與氧（O2）的反應(yīng)可以發(fā)電，同時生成副產(chǎn)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(tǒng)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(fēng)機，這些都是使一個系統(tǒng)內(nèi)的燃氣和流體進行循環(huán)所必需的。為運行和監(jiān)視RMFC，通常也要求有控制系統(tǒng)。

3 用戶需求分析

在中國，RMFC 作為一種新型的能源形式，其發(fā)展相對滯后。蘇州華清京昆電廠1kW 規(guī)模的RMFC 已于2021年6 月正式投產(chǎn)，該系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率在40%～45%之間，其整體能量轉(zhuǎn)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(lián)產(chǎn)裝置通過了運行試驗，其直流發(fā)電效率（DC）能量轉(zhuǎn)換效率高達65%。山東政府與國家發(fā)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(chuàng)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(yīng)用與工程經(jīng)濟學(xué)有關(guān)的理論建模，開展家庭RMFC 家庭RMFC 的經(jīng)濟性研究與應(yīng)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(qū)，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(nèi)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(tǒng)計年鑒》的數(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)計，2021 年北京市的常住居民總數(shù)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(jù)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(nèi)容所示。

表1 典型用戶的常規(guī)用能費用

3.2 家用聯(lián)供的系統(tǒng)商業(yè)模式

在中國家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的商業(yè)模式是：采用城市燃氣，RMFC 是在基荷長期內(nèi)，以全功率的形式進行發(fā)電，其所生成的電能是一種典型的分布式發(fā)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(tǒng)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(lián)產(chǎn)方面，參照日本大阪天然氣公司Ene-Farm Type S 192-AS11 的技術(shù)特點，并以中廣核院自主研發(fā)的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計一套熱電聯(lián)產(chǎn)的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，該裝置具有65%的能量轉(zhuǎn)換效率，90%的能量轉(zhuǎn)換效率，10年的使用年限，如表2 所示。

表2 技術(shù)特征分析

4 經(jīng)濟性分析的財務(wù)模型

4.1 凈現(xiàn)值

本文所采取的經(jīng)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(xiàn)金流入和流出的代數(shù)作和作為凈現(xiàn)金的流量，并以一定的利率實施動態(tài)折算所得到的結(jié)果，如下公式所示：

其中，NPV表示為凈現(xiàn)值，單元；C1表示為節(jié)點的現(xiàn)金流入量，單位為元；C0表示節(jié)點的現(xiàn)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(nèi)部收益率

主要的財務(wù)指標包括：固定的回收期Pt和內(nèi)部的收益率IRR。靜態(tài)投資回收期（也被稱為投資返本年限）是一個可以體現(xiàn)出財政上投資回收能力的關(guān)鍵指標，如果Pt不超過行業(yè)基準投資回收期或設(shè)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(xiàn)值為0時的貼現(xiàn)率，其被用于對投融資項目進行經(jīng)濟評估，如果IRR 高于產(chǎn)業(yè)內(nèi)的標準投資貼現(xiàn)率（如8%），則被視為可被金融機構(gòu)所接受。

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

而IRR 則需要結(jié)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(chǔ)方案經(jīng)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(fēng)險進行預(yù)測。敏感度系數(shù)可根據(jù)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(guān)設(shè)備的購買及固定資產(chǎn)的折舊問題，家用的RMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)的主要成本在于設(shè)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(jù)我們對中廣核科院自主研發(fā)的產(chǎn)品進行分析，按照批量生產(chǎn)計算，該系統(tǒng)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(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)的費用，全部構(gòu)成固定資產(chǎn)的原值，其殘值率為5%，固定資產(chǎn)每年的折舊額為0.89 萬元。用戶是家庭RMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)的最終消費者，其不會牽扯到諸如專利及專有技術(shù)使用費、商標權(quán)等沒有實物形態(tài)可識別的非貨幣性資產(chǎn)，也不會對無形資產(chǎn)進行折舊[3]。

有關(guān)用戶自身的經(jīng)營成本費用而言。家庭RMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(fā)電的煤氣費用，按照天然氣售價2.63 元/m3計算，一年內(nèi)連續(xù)運轉(zhuǎn)的煤氣費用為5552.6 元。

4.5 用戶收益

家用RMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)，年發(fā)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(wǎng)。假定上網(wǎng)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(chǎn)自用的電力效益，用戶年發(fā)電收益為6849 元。家用RMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)的年產(chǎn)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(chǎn)自用產(chǎn)生的熱力效益，用戶年產(chǎn)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(fā)電、供熱收入為10285.3 元。

5 結(jié)語

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