分布式清潔供暖及氫能熱電聯供裝置應用分析

于蓬 魏添 劉清國 王健 尹延峰

摘 要：以燃料電池為核心的熱電聯供是一種高效環保的分布式清潔供暖方式，越來越多國家與地區開始關注，在國內尚屬新鮮事物。首先，以山東省為例，對其發展規劃所提到的清潔供暖方式，了解其含義及優缺，并從成本、安全性、效果/效率、壽命、規模、應用領域六方面進行對比分析;其次，闡述分布式能源的含義、特點及分類，明確燃料電池熱電聯供是清潔供暖與分布式能源的良好結合體;最后，從耗煤量、耗天然氣量及費用節約三個方面對燃料電池熱電聯供系統進行節能性分析。分析結果為今后搭建及優化系統、建模理論分析提供了一定的指導。

關鍵詞：清潔供暖;分布式能源;熱電聯供;節能分析

中圖分類號：TK91 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-04-05

Abstract： The CHP with fuel cell as the core is an efficient and environmentally-friendly distributed clean heating method， which has been favored by more and more countries and regions. It is still a new thing in China. First of all， take a province as an example to understand the meaning and advantages and disadvantages of the clean heating mode mentioned in its development plan， and make a comparative analysis from six aspects of cost， safety， effect / efficiency， life span， scale and application field; secondly， describe the meaning， characteristics and classification of distributed energy， and make it clear that fuel cell cogeneration is a good combination of clean heating and distributed energy. Finally， the energy-saving analysis of fuel cell cogeneration system is made from three aspects： coal consumption， natural gas consumption and cost saving. The analysis results provide some guidance for the future construction and optimization of the system and the theoretical analysis of modeling.

Keywords： Clean heating; Distributed energy; Combined heat and power; Energy efficiency analysis

前言

近年來，氣候異常、霧霾等環境問題日益嚴重，這些環境問題與人類生活的供暖方式緊密聯系密切相關[1]。各省人民政府推進新舊動能轉換，加快新能源產業與推廣應用，推崇清潔供暖方式，積極發展電能供熱、地熱能供熱、生物質能供熱、太陽能供熱、核能供熱、及氫能供熱（熱電聯供）多種清潔供熱方式，加快供熱領域可再生能源對化石能源的替代[2]。而分布式能源是指分布在用戶端的能源利用系統，能夠在消費地點發電，利用發電的能量生產新的熱和電的新型供能方式，是我國能源結構轉型的重要組成[3]。改革供暖方式，探索綠色供暖模式，是值得深入研究的關鍵問題[4]。由此可見，改進傳統能源利用方式，探索清潔供暖等新型能源利用技術顯得尤為重要[5]。而熱電聯供作為綠色清潔供暖方式和分布式能源系統雙方的優選，受到了各個國家和地區的廣泛關注，特別是以燃料電池為熱機類型的分布式熱電聯供，日本先推出以燃料電池為核心的熱電聯供系統，整體系統效率達90%以上[6]。

1 清潔供暖概述

積極發展多種清潔供熱方式，主要包括電能供熱、地熱能供熱、生物質能供熱、太陽能供熱、核能供熱及氫能供熱（熱電聯供），能夠實現供熱資源和形式的多元化、靈活性。電能供熱是將清潔的電能轉換為熱能的環保的供暖方式。按照均勻性及受熱面積分為點式供暖（空調、電熱扇、輻射板等）、線式供暖（發熱電纜等）、面式供暖（電熱膜等）。地熱能供熱是以地熱能為主要熱源的供熱系統。地熱供熱按照地熱流進入供熱系統的方式可分為直接供熱和間接供熱。直接供熱是指把地熱流直接引入供熱系統，間接供熱是指地熱流不直接進入供熱系統，而是通過換熱器將熱能傳遞給供熱系統的循環水。生物質能供熱是能夠替代燃煤供熱的綠色低碳型可再生能源供熱方式。生物質能供熱主要包括生物質鍋爐供熱和生物質熱電聯產，主要在農村冬季使用。太陽能供熱是一種利用太陽能集熱器將太陽輻射收集起來并轉化為熱能用于供暖的技術。核能供熱是以核裂變產生的能量為熱源的城市集中供熱方式。氫能供熱（熱電聯供）是將供暖供熱及發電過程一體化的總能系統，其最大的特點就是能源的梯級利用。這里指的熱電聯供是以燃料電池作為動力驅動裝置。燃料電池是把氫氧反應生成水產生的化學能轉換成電能的裝置。發電效率達40%以上，熱電聯產的效率達到80%以上。氫能供熱（熱電聯供）節能環保、經濟性高、安全可靠，是未來極具發展潛力的供暖方式。目前，在日本已經實現了燃料電池熱電聯供系統的商業化應用。表1為各類清潔供熱的優缺分析。

2 清潔供暖定量比較分析

前述定性描述了六種清潔供熱方式的優缺，下面進一步從成本、安全性、效果/效率、壽命、規模、應用領域六方面進行定量比較。

2.1 成本方面

電能供熱：電熱膜供熱建設成本160元/m2，一個供暖季度2000元左右;地熱能供熱：深層地熱初投資為8500元/kW，深層地熱運行成本為20元/GJ;生物質能供熱：生物質能供熱成本較高，但運行成本低;太陽能供熱：初投資210元/平方米，平均每年每平方米的運行成本3元;核能供熱：低溫核供熱堆初投資為3250元/kW，低溫核供熱堆運行成本為8元/GJ。

2.2 安全性方面

電能供熱容易發生電傷，安全性差且有輕微輻射;地熱能安全可靠，對建筑地基無影響，但可能會引起地面的沉降;核能供熱固有安全性好，但公眾接受度低，存在安全隱患;太陽能供熱、生物質能供熱與氫能供熱（熱電聯供）的安全性較好。優先排列為：電能供熱>地熱能供熱>核能供熱>太陽能供熱>生物質能供熱>氫能供熱（熱電聯供）。

2.3 效果/效率方面

電能供熱供暖效果好采暖率高，電熱地膜供暖系統的熱轉換率高達98.68%;家用熱電聯供系統的綜合效率超過85%;核能供熱的供暖效果依靠距離，輸送距離近的情況下供暖效果較好;地熱能源利用效率較高，地源熱泵能夠帶出較驅動能2.5倍的地熱能，但對電能的依賴過高;生物質能清潔供暖主要在縣級或鄉鎮農村，范圍比較集中，供暖效果難以充分體現;太陽能分散，不穩定，效率低，太陽能行業普遍能夠達到的太陽能熱水系統效率為33%左右。優先排列為：電能供熱>氫能供熱（熱電聯供）>核能供熱>地熱能供熱>生物質能供熱>太陽能供熱。

2.4 壽命方面

地熱能供熱壽命長可與建筑壽命相當;核能供熱壽命達60年;太陽能供熱壽命在15-20年;電能供熱壽命在10-20年;熱電聯供的壽命在10年左右;生物質能供熱壽命在5-10年。優先排列為：地熱能供熱>核能供熱>太陽能供熱>電能供熱>氫能供熱（熱電聯供）>生物質能供熱。

2.5 規模方面

以山東省為例，電能供熱：到2022年，全省電能取暖面積達到3億平方米以上。生物質能供熱：到2022年，全省生物質能供暖面積達到1.5億平方米左右。地熱能供熱：到2022年，全省地熱能取暖面積達到7000萬平方米左右。太陽能供熱：到2022年，全省“太陽能+其他”清潔能源取暖面積達到500萬平方米左右。核能供熱：未標明規劃建設規模，但核能供熱有兩種方式，一種為低溫核供熱，即單個模塊供熱能力在200MW左右，與400萬平米供熱面積、10萬人口規模的城市或縣鎮相對應;另一種是核電熱電聯產，單臺1100Mwe機組供熱能力超過2000MW，供熱面積逾5000萬平米，對應125萬人口規模的城市。熱電聯供：目前主要在日本、歐洲、美國等地發展，后期在國內發展潛力巨大。優先排列為：電能供熱>生物質能供熱>地熱能供熱>太陽能供熱>核能供熱>氫能供熱（熱電聯供）。

2.6 應用領域方面

電能供熱現階段較普遍，主要應用于建筑、工業、交通、農業、家用等方面;地熱能供熱應用于平均地溫梯度大于2.5℃/100 m，允許鉆地熱井的地區，集中供應生活熱水市場的城鎮住宅、工業區;生物質能供熱適合城鎮民用清潔供暖以及替代中小型工業燃煤燃油鍋爐;太陽能供熱適用于企業、工廠、院校、醫院、社區、游泳池等陽光資源良好且需供暖的區域;核能供熱適用于城市近郊或遠離居民區的地點;熱電聯供市場的成功范例主要集中在日本、歐洲、美國等地，主要用于賓館、醫院以及居民小區等區域。

3 分布式能源

分布式能源系統是指按用戶的需求就地生產并供應能量，直接面向用戶，具有多種功能，可獨立運行，也可并網運行，能夠滿足多重目標的中小型能源轉換利用系統[7]。作為新一代功能方式，主要有四個特征：

（1）直接面向用戶需求，布置在用戶附近，減少能量輸送成本。

（2）相對于傳統的集中式供能系統，均為中、小容量，靈活節約。

（3）多功能趨勢，既包含多種能源輸入，又可同時滿足用戶的多種能量需求。

（4）可供選擇技術也日益增多，如與燃料電池的結合，經過系統優化和整合，實現多個功能目標。

分布式能源系統的核心及重要組成部分是分布式冷熱電聯供系統，其種類繁多，可與風能、太陽能、生物質能相結合[8]。按熱機類型分類，主要有燃氣輪機、內燃機、汽輪機、斯特林發動機，以及燃料電池等分布式冷熱電聯供。其中，與燃料電池相關的熱電聯供系統為燃料電池-燃氣輪機-余熱吸收型分布式聯供系統，SOFC固體氧化物燃料電池單獨發電效率為50～60%，與燃氣輪機組合成混合動力系統，其發電效率可達到60%，是目前最潔凈的分布式能源系統之一。

4 熱電聯供節能性分析

綜合清潔供暖方式及分布式能源的性質與優缺，可知燃料電池熱電聯供系統是最有發展前景的分布式清潔供暖系統。現從耗煤量、耗天然氣量以及使用成本三個方面對燃料電池熱電聯供系統進行節能性分析。

4.1 依據耗煤量核算

模擬某戶家庭一天24小時內的電熱需求的工況[9]。熱電聯供系統運行情況主要包括電輸出、熱輸出及熱水溫度。根據參考文獻[9]，統計得系統一天之內的電量。用戶在一天之內的用電量需求為8.4kWh，用熱量需求等效折算為電能是10.6kWh;燃料電池一天之內發電量是9.5kWh，將燃料電池輸出熱負荷折算為電能是10.6kWh。假設天然氣由煤炭制備，電能由傳統的火力發電獲得。通過采用熱電聯供和采用煤炭發電兩種情況下的煤耗，對比傳統用電用熱方式與熱電聯供方式的能耗。

傳統用電用熱方式由電網提供所需熱電，假設電熱水器的效率為85%，則一天之內所用的電能為20.87kWh。中國平均供電煤耗370g標準煤/kWh，則產生所需的電能需要消耗的煤炭量為7.721kg。

熱電聯供系統一天之內的發電量是9.5kWh，燃料電池輸出熱負荷折算為電能是10.6kWh，對于CHP來說，這部分能量無需額外能量提供，采用余熱供給。假設DC/AC變換設備效率為97%，帶重整器的燃料電池CHP系統的總效率為72%（保守估計），則天然氣需提供的能量為49MJ。可計算所需天然氣的體積為1.35Nm3，即由煤炭發電提供的煤炭量為3.38kg。

經分析可知仍有1.1kWh的電能可并入電網，此部分節約的煤炭量為0.4kg，扣除這部分用量后燃料電池系統所耗煤炭量為3.38kg-0.4kg=2.94kg。

4.2 依據耗天然氣量核算

已知1度電的熱值為3.6MJ/kWh，1立方天然氣的熱值為36MJ/m3，由此可知一立方米天然氣燃燒的熱值相當于10度（1度=1kWh）電產生的熱值。

傳統用電用熱方式，用戶一天所用的電能是8.4kWh，用戶所用熱能等效折算為電能是10.6kWh，一共所需要的能量為19kWh，需要1.9m3天然氣。

熱電聯供系統一天的發電量是9.5kWh，燃料電池輸出熱負荷折算為電能是10.6kWh，對于CHP來說，這部分熱負荷能量采用余熱供給，無需額外能量，一共產生9.5kWh的能量需要0.95m3天然氣。

同時燃料電池系統所發電量扣除用戶使用電量，剩余1.1kWh（0.11m3天然氣）的電能，這部分電能可并入電網，那么熱電聯供系統滿足用戶用熱用電僅需0.95m3-0.11m3= 0.84m3天然氣。

所以，在忽略熱電聯供、熱電水器效率的前提下，依據耗天然氣量進行核算，節能率為：

4.3 用戶端經濟效益

4.3.1 管道輸送天然氣加天然氣重整熱電聯供情況

由前述可知，依據耗天然氣量估算，傳統用電用熱方式滿足用戶一天所需的能量是19kWh，需要燃燒的天然氣的體積為1.9m3。假設天然氣的價格：PCH4=4元/m3，那么用戶一天的費用為：P1=4元/m3×1.9m3=7.6元。單純從天然氣使用量節約的角度，年節約天然氣費用為：7.6元×56%×365天/年=1553元/年。

4.3.2 運輸氫氣加純氫熱電聯供情況

在純氫熱電聯供方式下，滿足用戶一天所需能量僅為8.4kWh，需要燃燒的天然氣的體積為0.84m3。一個單位的天然氣（CH4）對應兩個單位的氫氣（H2），所以所需氫氣的體積約為1.68m3（ρH2=0.0899kg/m3）。假設現階段較為理想的天然氣重整制氫成本為PH2=15元/kg，加之運輸費用，較為理想的氫氣終端價格為20元/kg，則用戶一天的費用為：P2=20元/kg×0.0899kg/m3×1.68m3=3元/天，年節省費用為1679元。

4.3.3 費用變化的主要影響因素

費用節約的影響因素有制氫成本、天然氣價格、效率等，主要因素是制氫成本。目前的制氫成本與氫氣終端價格如圖1、2所示，隨著制氫方式的多樣性及制、儲、運氫的產業鏈發展，氫氣越來越容易獲得，制氫成本也將大大降低。由制氫成本變化對應的年費用節省情況，如下圖3所示。

當前氫氣成本較高，若氫氣售價在50-70元/kg，則花費高于使用天然氣供熱;若售價為50元/kg，則花費等于使用天然氣供熱;隨著制氫成本下降，當售價為7元/kg，日消費1.06元/天，年節約費用2387元，此時可通過管道輸氫代替交通運輸;當售價為3.5元/kg，日消費0.53元/天，年節約費用2580元，此數據與日本NEDO 基于該國情況計算的數據2600/年持平。未來將可再生能源制氫（例如電解水制氫等）和管道輸氫相結合，通過管道將制得的氫氣直接運送到用戶使用，從而逐步代替化石能源制造天然氣、通過管道輸送天然氣、再進行重整制氫的方式，將更大限度的減少氫氣使用成本，為用戶帶來更可觀的經濟效益，同時減少環境污染，帶來巨大的社會效益。

5 結語

本文對綠色熱力清潔供暖方式、分布式能源系統做了詳細闡述，同時指出燃料電池熱電聯供不僅是綠色熱力清潔供暖方式，還是直接面向用戶的分布式能源系統，是未來極具發展潛力的供暖方式，也是目前最潔凈的分布式能源系統之一。對燃料電池熱電聯供系統進行了節能性分析，依據耗煤量進行核算，采用天然氣制氫的燃料電池熱電聯供系統與傳統的用火電廠發電相比，節能率保守計算超過60%。依據耗天然氣量進行核算，

忽略熱電聯供、熱電水器效率，節能率約為56%。制氫成本是影響費用節約的主要因素，當制氫成本在20元/kg，年節約費用約等于1553元，與天然氣重整方式基本持平。研究結果為燃料電池熱電聯供系統建模理論分析及研發奠定基礎。

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