SOFC在天然气分布式应用中的经济性分析

姚利森

上海联和日环能源科技有限公司

0 引言

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。

固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。按应用领域可分为便携式能源系统、家庭热电联供系统、汽车辅助电源系统和分布式能源系统[1]。

本文对不同应用场景下以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池分布式应用进行经济性分析。

1 固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池是一种采用电化学反应发电的装置，其工作过程不受限于卡诺循环，效率远高于其他发电设备。该电池可采用多种燃料，以H2、CH4、CH3OH作为燃料的反应化学式见表1。

表1 SOFC反应化学式[2]

天然气作为常见的化石能源，被广泛应用在分布式系统中。当天然气作为SOFC的燃料时，其工作过程如下：在高温工作条件下，SOFC阴极侧通入的空气中的O2被阴极催化裂解成O2-，在电化学势差的作用下，O2-离子穿过离子电导的陶瓷电解质隔膜片，到达阳极，与天然气发生还原反应，生成水和CO2，对外放出电流。该反应的主要产物是CO2和水，是一种低排放的绿色能源来源方式。

2 分布式应用前景

2.1 分布式应用

天然气分布式能源是指利用天然气作为燃料，通过冷、热、电联供的方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，在负载中心附近能实现能源的供应，是一种现代能源供应方式，是实现天然气高效利用和结构优化的重要途径。目前常见的天然气分布式能源发电设备包括：微型燃气轮机、中小型燃气轮机、内燃机及燃料电池，且目前已有很多从业人员对天然气分布式利用的热经济性计算进行了研究，姜曙等[3]对某能源站的应用进行了分析。

近年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点已逐步成为世界能源供应的重要组成部分。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的热能利用价值，可提供天然气重整所需热量用于生产蒸汽，也可以和燃气轮机组成联合循环，适用于分布式发电和供暖。SOFC和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。

国外公司及研究机构相继开展了SOFC电站的设计及试验，100kW管式SOFC电站已在荷兰运行。美国西屋公司不但试验了多个kW级SOFC，而且正在研究MW级SOFC与燃气轮机发电系统。日本三菱重工及德国西门子公司都进行了SOFC发电系统的试验研究[4]。

2.2 SOFC优势

相对于其它天然气分布式能源发电设备，SOFC具有以下优势。

2.2.1 发电效率高

燃料电池发电为化学能直接转换成电能，不受卡诺循环限制，直流发电效率可高达70%以上，交流发电效率可达65%。相比其它热机，电效率具有明显优势，尤其是对于1MW级别的发电单元。同时，燃料电池作为分布式能源供电，可安装在负载中心附近的位置，避免了电路传输损耗和配送损耗。

2.2.2 余热品质高

分布式能源应用，不仅应考虑电能的输出，同时也需考虑冷、热能源的输出，SOFC发电余热温度较高，约700℃～800℃，同时余热温度稳定，余热经过热回收系统可以热水或供暖的形式使用。

2.2.3 无振动低噪音

SOFC采用电化学反应进行发电，不存在机械运行，不产生振动，工作噪音在45dB以下。因此安装地点非常灵活，可安装在工作区域，休闲区域，也可安装在住宅区域、楼顶。

2.2.4 燃料选用范围广

SOFC可使用的燃料类型非常广泛，包括天然气、煤制气、合成气、生物质气、甲醇等。SOFC运行温度较高，方便燃料中高碳化合物的催化重整成H2和CO。采用金属Ni作为内重整催化剂，成本低，且CO2不会毒化。

2.2.5 绿色环保、低碳排放

NOx和SOx是当今环境污染的主要污染源之一，而SOFC发电进入的原料仅为空气和燃气。燃气经脱硫处理，因此尾气中不含SOx。空气虽然经高达800℃的高温环境，但由于反应过程在大气压力条件下，几乎无NOx产生。

3 应用模式分析

3.1 发电模式

纯发电模式，具有系统简单、总体能量利用率较低的特点，也是SOFC系统最为常见的利用方式。美国的布鲁姆能源公司（Bloom Energy）已为美国谷歌（Google）、易贝（eBay）、沃尔玛（Wal-Mart）等公司提供了超过100套的SOFC系统。

3.2 发电供暖模式

发电供暖模式分两类，一类是SOFC余热供暖[5]，另一种是复合GT[6]，形成SOFC-GT余热供暖。

3.2.1 余热供暖模式

SOFC余热供暖系统如图1所示。

图1 SOFC余热供暖系统

该系统能量利用率高，系统较为简单，适合北方供暖地区应用。

日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）于2011年开发成功全球首个商业化的SOFC热电联供系统。该系统由发电单元和利用废热的热水供暖单元组成，输出功率为700W，发电效率为46.5%，综合能源利用效率高达90.0%，工作时的温度为700℃～750℃，在作为家庭基础电源同时，并可利用废热用作热水器或供暖器。

3.2.2 SOFC-GT余热供暖

SOFC-GT余热供暖如图2所示。

图2 SOFC-GT余热供暖系统

图2 为SOFC与燃气轮机（GT）构成的混合分布式发电系统。SOFC-GT混合发电系统由燃料处理系统、电池堆、余热利用系统及直交流转换系统组成，发电效率高达60%以上。

工作过程为天然气经过加压和脱硫处理后被系统废热加热，与利用电池堆余热加热的水蒸汽混合输入电池堆的阳极。高温的洁净天然气和水蒸气在催化剂的作用下发生重整反应产生H2。常温的空气经压缩后由燃烧器的高温排气加热到电堆入口温度后输入到电池堆的阴极。电堆内发生氧化还原反应产生电能和热能。阳极与阴极排气（未反应完燃料和空气）进入燃烧室燃烧，燃烧室的排气将天然气和空气加热到电池堆的入口温度后，进入燃气轮机做功，输出电能。由于废气温度很高，经过燃气轮机排出的废气也有较高的温度，这部分废气通过烟气换热器进行余热回收，加热供暖回水，经过烟气换热器的废气温度大幅降低，排入大气中。

该系统发电转换率高，但系统复杂，运行难度较大。

3.3 多联供模式

多联供模式如图3所示。

图3 冷热电多联供系统

在发电供暖的基础上，增加溴化锂制冷系统，形成冷热电多联供系统，冬季供暖、夏季供冷。该系统全年综合能源利用率较高，但系统复杂程度也相应有所提高，适用于办公场所、写字楼等商用场所。

4 SOFC系统成本

目前大量SOFC系统的演示验证，SOFC的技术可行性毋庸置疑。目前SOFC发电系统已进入了初步量产和成本降低的阶段，进入千家万户已为时不远。

成本一直是限制SOFC推广应用的一个关键性因素。

SOFC系统成本可分为SOFC电堆及其他辅助设备，如燃料重整器、燃烧器、热交换器等等，这些辅助设备也被称为平衡部件（BOP，Balance Of Plant）。

按目前的工艺路线，SOFC电堆部分仅占整个发电系统成本的较小部分。由于未能满足长时间稳定运行的BOP部件，需要研发和特殊订制，因此目前BOP部件的成本约占总成本的70%。通过大规模产业化将能显著降低BOP部件的成本。

除了BOP部件，发电系统的核心部件——SOFC电堆的成本也有大幅下降空间。目前SOFC电堆成本主要包括各种材料、组件制备、封装集成、人力等几个方面。除了通过大规模产业化以降低电解质粉体、耐高温金属等关键材料的价格外，改善工艺步骤、提高电池制备的成品率也是降低成本的关键。

美国能源部固态能量转换联盟（Solid-State Energy Conversion Alliance，SECA）从2001年开始投入SOFC研发，在单电池性能、功率密度、可靠性和先进制造技术上取得重大进展，目前，SOFC电池堆成本与2001年相比降低了90%以上，如图4所示。

图4 SECA-SOFC成本下降趋势预测

5 经济性分析

本文以北京（六城区外）地区的商业场所作为应用场景。

5.1 各模式技术条件

影响经济性的各模式下技术条件见表2。

表2 技术条件汇总表

5.2 经济性评价

本文经济性评价参考的计算原则和依据如下：

（1）《化工投资项目可行性研究报告编制办法》（2012年修订版），中石化联产发［2012］115号；

（2）《投资项目可行性研究指南》（试用版），原国家发展计划委员会办公厅计办投资［2002］15号文；

（3）《化工投资项目经济评价参数》，国家石油和化学工业局国石化规发［2000］412号文；

（4）《建设项目经济评价方法与参数》（第三版），国家发改委、建设部发改投资［2006］1325号文；

（5）《火力发电工程建设预算编制与计算规定》（2013年版），国家能源局；

（6）《关于发布电力工程计价依据适应营业税改征增值税估价表的通知》，电力工程造价与定额管理总站定额〔2016〕45号；

（7）《关于发布2013版电力建设工程概预算定额2018年度价格水平调整的通知》，电力工程造价与定额管理总站定额[2019]7号；

（8）《火力发电工程经济评价导则DL/T 5435-2009》，国家能源局；

（9）《环境保护节能节水项目企业所得税优惠目录（试行）》，国家税务总局。

5.3 计算基本条件

经济性计算基本条件汇总见表3。

5.4 结果分析

5.4.1 计算结果

经济性计算结果见表4。

表4 经济性计算结果

由表4可见：

（1）多联供模式经济效益最佳，单纯发电模式收益率最低；

（2）增加供热、供冷等空调功能后，系统经营成本变化较小，同时收益较为客观，对项目的投资收益率拉动明显；

（3）在不需要供冷的区域或供冷时间较短的区域，发电供暖模式具有相当的竞争力。

5.4.2 敏感性分析

以“发电模式”为例，以电价及造价的变化作为条件分别进行敏感性分析。

表5 造价对收益率的敏感性分析

表6 电价对收益率的敏感性分析

以表5和6中的数据作图，见图5。

图5 敏感性分析图

从图5可见，在“发电模式”的造价和电价中，电价是更为敏感的因素，因此对投资者而言，如何得到一个较高的、有稳定预期的售电价格是项目成败的关键。

6 总结

北京是我国分布式发电中天然气价格用电价格较高的城市，根据本文分析，利用SOFC纯发电的方案经济效益一般，但在商业场所，采用冷热电多联供的方案已具有较好的经济效益。因此，在有条件的城市和项目中建议可以进行SOFC技术的先行先试，培育产业力量，整合产业链资源，力争在3年～5年内使SOFC系统成本大幅度下降，成为重要的分布式能源利用技术。