蒸汽型高溫固體儲熱技術經濟性分析

梅超 李迎 馬美秀 康偉 徐桂芝

(1.國網福建省電力有限公司廈門供電公司 福建 廈門 361004;2.國網智能電網研究院有限公司 北京 102299)

國際能源署數據顯示，2018年供熱占全球終端能耗的50%，工業占據50%，隨著“碳達峰、碳中和”目標的推進，推動工業爐窯使用電、天然氣等清潔能源或實施集中供熱，成為重要的發展趨勢[1]。構建以新能源為主體的新型電力系統是低碳清潔的主要措施，截至2021 年底，我國新能源裝機規模達6.34億kW，占比達到26.7%，新能源發電量1萬億kW·h，占總發電量的12%[2]，但新能源資源的隨機性和間歇性，會導致電網調峰困難，在這種電力系統新形勢下，需要提高電力消費側靈活性及調峰能力，以維持電網穩定[3-6]。儲熱技術可以將電能存儲起來，根據工藝用熱需求釋放產生熱（蒸汽），不僅實現了削峰填谷、緩解新能源并網波動和調控電能品質，同時采用低谷、低價新能源電力，降低了工業用熱的能源成本。此外，隨著我國電力市場化改革推進，零電價或負電價成為“常客”[7]，因此，如何將低成本電能轉化成熱能，降低工業用熱的能源成本，使得蒸汽型固體儲熱技術更有市場推廣前景，進一步探討裝置成本、電價、蒸汽價格對蒸汽型高溫固體儲熱系統全生命周期的影響，為儲熱技術在工業領域的廣泛推廣提供參考。

1 蒸汽型高溫固體儲熱技術

本文所研究的蒸汽型高溫固體儲熱系統如圖1所示，主要包括固體儲熱裝置、蒸汽發生器、循環風機、給水泵等。

圖1 蒸汽型高溫固體儲熱系統流程圖

電網低谷或新能源電力富裕時段，固體儲熱裝置開啟電源，將電能轉化成熱能存儲于儲熱材料內，直至儲熱溫度達到儲熱材料設定值上限，同時，根據工業用戶熱需求，開啟循環風機，將冷空氣送入固體儲熱裝置內與儲熱材料進行熱交換，變成高溫的熱空氣進入蒸汽發生器，將熱量傳遞至水，水吸熱產生飽和蒸汽供應給熱用戶，被吸熱后的蒸汽再次變為熱水或回收再次產汽或用于余熱利用。

2 蒸汽型高溫固體儲熱技術經濟性分析

以某制藥公司為例，工藝所需蒸汽參數與運行情況如表1所示。

表1 某制藥公司蒸汽運行參數表

以某制藥公司所在地電價基準，采用系統投資決策的動態評價方法[8-10]，測算系統的凈現值、內部收益率及投資回收期的變化，分析谷電價格、建設投資、蒸汽價格的敏感性，提出適宜于系統推廣的建議。

凈現值法是系統在整個技術方案的全壽命周期內，全年產生的資金流入量與流出量的差值，按照設定的折現率，折算到投資開始時的現值，再把每年的折算值累加的結果。

式（1）中：NPV為第t年凈現金流量的現值；（CICO）t為第t年凈現金流量；t為年數；ic為設定的折現率（同基準收益率）。

式（2）中：IRR為內部收益率。

由式（1）、式（2）可知：當NPV=0時，IRR=ic；當NPV≥0時，IRR≥ic；當NPV≤0時，IRR≥ic。因此，內部收益率作為項目經濟性判斷的指標，當IRR≥ic則項目在經濟上可以接受，當IRR≥ic則項目在經濟上不可行。

式（3）中：Tp為投資回收期；tp為累計凈現金流量現值開始出現正值的年份；CZXZtp為第tp年凈現金流量的現值；CjXZ(Tp-1)為上一年的累計凈現金流量的現值的絕對值。

以某制藥公司為例的蒸汽型高溫儲熱技術經濟性基礎指標，如表2所示。

表2 某制藥公司蒸汽型高溫儲熱技術經濟性基礎指標

2.1 谷電價格敏感性

以案例所在地大工業用谷電價格為0.372 1元/kW·h為基準，計算其分別下浮10%～50%時系統的蒸汽成本、凈現值和投資回收期，如圖2所示。

圖2 蒸汽型高溫固體儲熱系統谷電價格敏感性圖

通過降低谷電價格，從而可降低系統的蒸汽成本中的用電成本，當谷電價格降低20%時（0.297 7元/kW·h），蒸汽型高溫相變儲熱系統的凈現值為39萬元＞0，系統具有經濟性，且其內部收益率為12.8%，投資回收期為7年。因此，可以通過爭取電價優惠、參與電力市場交易等渠道降低蒸汽能源成本。

2.2 建設投資敏感性

以裝置建設投資為基準，計算其分別下浮10%～50%時系統的凈現值，具體如圖3所示。

圖3 蒸汽型高溫固體儲熱系統建設投資敏感性圖

通過降低建設投資，即需降低主要設備及其附屬設備的費用和相關維保費用，可使其凈現值和內部收益率逐步增大。故可通過申請政府補貼等方式，以降低建設投資使系統具有經濟性，將設備投資降至50%時，蒸汽型高溫相變儲熱系統的凈現值為4萬元＞0，系統具有經濟性，且其內部收益率為9%，投資回收期為8.5 年。因此，可以通過爭取清潔能源替代、綠色低碳替代等政策設備補貼降低系統投資成本。

2.3 蒸汽價格敏感性

以蒸汽定價價格315 元/蒸噸為標準，計算其分別上浮10%～50%時系統的蒸汽收費標準和凈現值，具體如圖4所示。

圖4 蒸汽型高溫固體儲熱系統蒸汽價格敏感性圖

通過提高蒸汽收費標準，可使其凈現值和內部收益率逐步增大。當蒸汽收費提高10%時（346元/蒸噸），蒸汽型高溫相變儲熱系統的凈現值為9 萬元＞0，系統具有經濟性，且其內部收益率為9%，投資回收期為8.3年。可見，隨著天然氣、煤炭價格的上漲，蒸汽價格隨之提升，未來電儲熱蒸汽具有廣闊的發展前景。

3 結語

本文介紹了蒸汽型高溫固體儲熱技術的技術工作流程，以某制藥公司的蒸汽需求參數為基礎，結合當地電價政策，借助投資決策的動態評價方法，分析了蒸汽型高溫固體儲熱系統的凈現值、內部收益率和投資回收期，得到谷電價格降至20%、建設投資降至50%、蒸汽價格提升10%時，系統的凈現值大于零，系統具有經濟性。同時，提出系統的經濟性不僅受當地天然氣、煤炭價格對蒸汽價格影響，同時還受到谷電價格、電力市場交易價格及政府相應的支撐政策約束。