基于金属氢化物的太阳能热电站高温蓄热系统经济性分析

鲍泽威，吴 震，孟翔宇，杨福胜，张早校，2

(1.西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049;2.西安交通大学 苏州研究院，江苏 苏州 215123)

0 引言

在各种可再生能源中，太阳能热发电具有发电成本低、生产适应性强、适于大规模生产等优点，受到了各国政府和研究者的普遍关注[1，2]。高温蓄热装置是太阳能热发电系统中的关键子系统。蓄热的方法按照原理可以分为显热蓄热、潜热蓄热和热化学反应蓄热三类。现在主流的太阳能热发电蓄热装置是两融盐罐蓄热系统，属于显热蓄热，存在着蓄热密度低、成本高、低温凝固、高温分解和腐蚀等问题[2]。很多研究人员在开发高温混凝土显热蓄热技术[3，4]，但混凝土的蓄热密度过低，影响了其大规模商业应用。潜热蓄热的蓄热密度大，但存在着导热系数低等问题，还不能商业应用[4]。热化学反应蓄热具有更大的能量储存密度，而且不需要保温，可以在常温下无损失地长期储存热能。热化学反应蓄热体系包括氨的分解反应、碳酸盐化合物的分解反应、金属氢化物的分解反应和无机氢氧化物的热分解反应等几种[5]。其中，储氢合金与氢气结合生成金属氢化物的一类可逆化学反应具有能量储存密度大、腐蚀性低和反应易于控制等优点，是较为理想的高温蓄热体系。德国的马普研究所对Mg基金属氢化物高温蓄热技术进行了长期研究，开发了高温蓄热系统样机[6～8]。马普研究所还与斯图加特大学合作将金属氢化物蓄热技术应用于小型太阳能热发电系统，整个系统由太阳能集热器、金属氢化物蓄热装置和斯特林发动机等几部分组成，蓄热装置装填了MgH2材料约24 kg，蓄热量达到了50 MJ，工作温度范围为300～480℃[6]。Meng等[9]建立了金属氢化物蓄热反应器的数学模型，研究了其内部的热质传递特性，发现反应器传热性能对整个蓄热系统的性能具有决定性的影响。澳大利亚EMC Solar Ltd．公司设计了一个100 kW斯特林太阳能热电站，此电站采用CaH2作为蓄热材料，总蓄热量为4 320 kW·h，可以满足 18 h 蓄热需求[10]。

本文通过建立金属氢化物高温蓄热系统的经济性分析模型，估算了此系统的总成本和单位蓄热成本，分析了不同蓄热方案的成本，讨论了材料价格和总蓄热量变化对单位蓄热成本的影响。

1 系统构成与工作原理简介

金属氢化物的氢化/脱氢反应可由下式表示[11]:

式中:M为储氢合金;MHx为反应产物即金属氢化物;ΔH表示反应焓变，即反应热效应。对于高温蓄热系统，一般采用Mg基储氢合金作为蓄热材料，已经开发出来的材料包括MgH2(可以通过添加少量Ni或Fe元素来改善其反应动力学性 能)、Mg2NiH4、Mg2FeH6、Mg2CoH5和Mg6Co2H11等几种[7]。

金属氢化物高温蓄热系统主要包括“蓄热反应器+储氢反应器”和“蓄热反应器+储氢罐”两种结构形式[6]，如图1所示。图1(a)所示的系统由高温蓄热反应器、金属氢化物储氢反应器和阀门等部件构成。高温蓄热反应器内填充有Mg基金属氢化物，储氢反应器内一般填充稀土系储氢合金。此系统的工作原理与研究广泛的金属氢化物热泵是相似的，其工作流程叙述如下:加热蓄热反应器使其内部的Mg基金属氢化物分解，释放出的氢气与储氢反应器内的储氢合金反应，放出的热量被冷却水吸收，这就实现了蓄热过程;当需要高温热量时，采用低温热源 (如工厂废热、地热等)对储氢反应器进行加热，释放出的氢气与Mg基储氢合金反应，放出热量，即为热量释放的过程。热量的储存和释放过程可以通过两个反应器之间的阀门方便地控制。

图1(b)所示的系统结构与前者相似，主要区别是其采用储氢罐替代金属氢化物储氢反应器。蓄热过程中对储氢反应器进行加热，氢化物分解放出的氢气由储氢罐暂时储存，当需要放出热量时，打开相应的阀门，氢气从储氢罐注入到蓄热反应器中与储氢合金反应放出热量，这样就实现了热量储存与释放过程。

图1 基于金属氢化物的高温蓄热系统示意图Fig.1 Schematic of high temperature thermal energy storage system based on metal hydride

2 蓄热成本估计

大汉电站是我国第一台太阳能塔式热发电示范电站，其需求的总蓄热量是24 000 MJ，蓄热温度约为390℃。本文采用的蓄热材料为Mg/MgH2+2wt%Ni，其储氢量为6wt%，蓄热能量密度为 2 257 kJ/kg[7]。在此蓄热温度下，由式(2) 得到反应平衡压力约为1.42 MPa[7]。

对于“蓄热反应器+储氢反应器”蓄热系统，选用的储氢材料为 MmNi4.6Al0.4，其储氢量为1.15wt%[12]。蓄热反应器和储氢反应器的壳体和换热装置都采用不锈钢316L制造，用量按照储氢合金质量的一半估算。对于“蓄热反应器+储氢罐”蓄热系统，储氢罐为钢制球罐，制造材料为国产15MnNbR低合金钢。根据氢气的压力和质量，球罐设计容积为550 m3，直径为10.2 m，名义壁厚为22 mm。

两种结构形式蓄热系统所需要的材料用量如表1所示。Mg/MgH2+2wt%Ni的价格为1.9万元/t，MmNi4.6Al0.4的价格为26.5万元/t，不锈钢316L的价格为2.36万元/t，15MnNbR的价格为0.45万元/t，氢气的价格为2.0万元/t，建造及其他费用按材料总成本的20%估算。计算得到的各部分成本及所占百分比列于表2，两种结构形式蓄热系统的单位蓄热成本分别为784.58元/MJ和29.75元/MJ，两者的差别主要是由储氢成本的差异造成的，两者储存单位质量氢气的成本分别为2 888.3万元/t和48.0万元/t。 “蓄热反应器+储氢反应器”蓄热系统的储氢成本远高于第二种系统，这是因为储氢合金 MmNi4.6Al0.4非常昂贵。储氢成本分别占到两者总成本的78%和56%以上，采用低成本的储氢方法，可以有效降低蓄热成本。

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

图2给出了不同蓄热方案的成本比较，图中前四种蓄热方案的造价来自文献[13]，第五种蓄热方案的成本数据来自文献[14]。由图可知，“蓄热反应器+储氢反应器”蓄热系统的成本最高，“蓄热反应器+储氢罐”蓄热系统的成本最低，初步估计不到最常见的两熔盐罐蓄热系统成本的四分之一。需要指出的是，成本估算过程中忽略了蓄热材料使用寿命、系统传递特性等因素，操作成本计算也较简略，估算过程偏理想。当然这些因素都是今后系统改进优化的方向，在解决了上述问题的情况下成本会接近理想情况。

表2 金属氢化物蓄热系统成本Tab.2 Cost of metal hydride thermal storage systems

图2 不同高温蓄热系统成本比较Fig．2 Cost of different high temperature thermal storage systems

3 敏感性分析

图3给出了各种材料价格下降20%时对两种金属氢化物蓄热系统的单位蓄热成本影响。从图3(a)可知，MmNi4.6Al0.4价格下降20%时，单位蓄热成本下降得最多，说明单位蓄热成本对MmNi4.6Al0.4价格最敏感。不锈钢316L的价格是第二敏感的参数，因为其价格比较高，用量也比较大。Mg/MgH2+2 wt%Ni和氢气的价格分别是第三和第四敏感的参数，对单位蓄热成本变化影响很小。从图3(b)可知，对于“蓄热反应器+储氢反应器”蓄热系统，15MnNbR价格是影响单位蓄热成本的最敏感的参数。Mg/MgH2+2 wt%Ni和不锈钢316L的价格分别是第二和第三敏感的参数。氢气对单位蓄热成本变化的影响最小，是最不敏感的参数。

“蓄热反应器 +储氢罐”高温蓄热系统的成本比较低，总蓄热量变化对其单位蓄热成本的影响如图4所示。从图中可知，总蓄热量越大单位蓄热成本越低，因此蓄热量越大经济性会越好，但是当总蓄热量大于400 000 MJ后，单位蓄热成本变化很小。当蓄热量很大时，储氢罐很大，壁厚很厚，可以采用多个储氢罐来存储氢气，这样既方便安装与维护又提高了安全性。

图3 各种材料价格对单位蓄热成本影响的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of cost of various materials influencing cost per kWht

图4 总蓄热量对单位蓄热成本的影响Fig.4 Effect of the total quantity of thermal storage on cost per kWht

4 能源平均成本

能源平均成本是国际上通用的比较可再生能源发电系统的技术经济性指标。文献[15]中的能源平均成本定义如下:

式中:LEC为能源平均成本;CC为总初投资;i为利率;D为系统寿命;O＆M为年运行维护费用;A为年净发电量，kW·h。

本文以大汉电站为分析对象，此电站虽然是偏重于技术实验和验证的示范性电站，并不以商业运营为目的[14]，但对其进行技术经济性研究依然具有重要的意义。大汉电站镜场(包括控制系统、安装费用、线缆等)的造价为2 000万元，电站汽轮机 (包括控制系统与发电机等)价格为180万元，蓄热系统造价约为470万元，接收塔造价为200万元，此电站的年净发电量约为 130万 kW·h[14]。计算中系统寿命取 30年，利率取为 6%[15]，人工费用取为200万元/年[14]，年运行费用按总初投资的1%估算。由式 (3)中得到LEC为3.35元/kW·h。当采用 “蓄热反应器 +储氢罐”金属氢化物蓄热系统时，蓄热系统造价降低为71.4万元，相应地LEC下降到3.10元/kW·h，约下降了7.56%。

5 结论与展望

(1)通过建立金属氢化物高温蓄热系统的经济性分析模型，分析了不同类型的太阳能高温蓄热系统的成本，初步估计，“蓄热反应器+储氢罐”高温蓄热系统的单位蓄热成本只有最常见的两熔盐罐蓄热系统的四分之一左右。

(2)对于“蓄热反应器+储氢反应器”蓄热系统，不同材料成本对单位蓄热成本影响的敏感性排序为:MmNi4.6Al0.4＞不锈钢316L＞Mg/MgH2+2wt%Ni＞氢气;对于“蓄热反应器+储氢罐”蓄热系统，敏感性排序为:15MnNbR ＞Mg/MgH2+2 wt%Ni＞不锈钢316L＞氢气。

(3)对于“蓄热反应器+储氢罐”蓄热系统，总蓄热量越大单位蓄热成本越低，当总蓄热量大于400 000 MJ后，单位蓄热成本下降很小。

(4)对于大汉太阳能热电站，采用“蓄热反应器+储氢罐”蓄热系统后能源平均成本预计可下降到3.10元/kW·h，下降了7.56%。

(5)金属氢化物蓄热技术目前还不成熟，本文研究中所作的简化较多，后续的研究中会建立蓄热系统模型和实验装置，考虑更多的影响因素，完善金属氢化物高温蓄热系统的经济性模型。

[1]纪军，何雅玲．太阳能热发电系统基础理论与关键技术战略研究[J]．中国科学基金，2009，23(6):331－336.

[2]杨敏林，杨晓西，林汝谋，等．太阳能热发电技术与系统[J]．热能动力工程，2008，23(3):221－228.

[3]Laing D，Lehmann D，Fiss M，et al．Test results of concrete thermal energy storage for parabolic trough power plants[J]．Journal of Solar Energy Engineering，2009，131(4):1－6.

[4]吴建锋，焦国豪，徐晓虹，等．太阳能热发电用氧化铝基复相陶瓷抗热震性及EPMA分析[J]．中国陶瓷工业，2010，17(7):9－13.

[5]Gil A，Medrano M，Martorell I，et al．State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation．Part 1－Concepts，materials and modellization[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14(1):31－55.

[6]Felderhoff M，Bogdanovic＇B．High temperature metal hydrides as heat storage materials for solar and related applications[J]．International Journal of Molecular Sciences，2009，10(1):325－344.

[7]Reiser A，Bogdanovic＇B，Schlichte K．The application of Mg-based metal-hydrides as heat energy storage systems[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2000，25(5):425－430.

[8]Bogdanovic＇B，Reiser A，Schlichte K，et al．Thermodynamics and dynamics of the Mg–Fe–H system and its potential for thermochemical thermal energy storage[J]．Journal of Alloys and Compounds，2002，345(12):77－89.

[9]Meng X Y，Bao Z W，Yang F S，et al．Theoretical investigation of solar energy high temperature heat storage technology based on metal hydrides[J]．International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration，2011，19(2):1－10.

[10]Harries D N，Paskevicius M，Sheppard D，et al．Concentrating solar thermal heat storage using metal hydrides[J]．Proceedings of the IEEE，in press．

[11]花磊，杨福胜，孟翔宇，等．金属氢化物氢化/脱氢反应动力学模型研究进展[J]．化工进展，2010，29(3):413－429.

[12]Muthukumar P，Maiya M P，Murthy S S．Experiments on a metal hydride－based hydrogen storage device[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2005，30(15):1569－1581.

[13]白凤武．DAHAN太阳能热发电站蓄热系统方案分析[R]．北京:中国科学院电工研究所，2009.

[14]中国太阳能集热发电的可行性及政策研究报告[EB/OL]: http://www． efchina． org/CSEPCN/FReports．do?act=detail＆id=291，2011－4－12.

[15]侯宏娟，高嵩，杨勇平，等．槽式集热场与燃煤机组混合发电系统经济性分析[J]．华北电力大学学报，2010，37(1):20－22.