分布式清洁供暖及氢能热电联供装置应用分析

于蓬 魏添 刘清国 王健 尹延峰

摘 要：以燃料电池为核心的热电联供是一种高效环保的分布式清洁供暖方式，越来越多国家与地区开始关注，在国内尚属新鲜事物。首先，以山东省为例，对其发展规划所提到的清洁供暖方式，了解其含义及优缺，并从成本、安全性、效果/效率、寿命、规模、应用领域六方面进行对比分析;其次，阐述分布式能源的含义、特点及分类，明确燃料电池热电联供是清洁供暖与分布式能源的良好结合体;最后，从耗煤量、耗天然气量及费用节约三个方面对燃料电池热电联供系统进行节能性分析。分析结果为今后搭建及优化系统、建模理论分析提供了一定的指导。

关键词：清洁供暖;分布式能源;热电联供;节能分析

中图分类号：TK91  文献标识码：A  文章编号：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，气候异常、雾霾等环境问题日益严重，这些环境问题与人类生活的供暖方式紧密联系密切相关[1]。各省人民政府推进新旧动能转换，加快新能源产业与推广应用，推崇清洁供暖方式，积极发展电能供热、地热能供热、生物质能供热、太阳能供热、核能供热、及氢能供热（热电联供）多种清洁供热方式，加快供热领域可再生能源对化石能源的替代[2]。而分布式能源是指分布在用户端的能源利用系统，能够在消费地点发电，利用发电的能量生产新的热和电的新型供能方式，是我国能源结构转型的重要组成[3]。改革供暖方式，探索绿色供暖模式，是值得深入研究的关键问题[4]。由此可见，改进传统能源利用方式，探索清洁供暖等新型能源利用技术显得尤为重要[5]。而热电联供作为绿色清洁供暖方式和分布式能源系统双方的优选，受到了各个国家和地区的广泛关注，特别是以燃料电池为热机类型的分布式热电联供，日本先推出以燃料电池为核心的热电联供系统，整体系统效率达90%以上[6]。

1 清洁供暖概述

积极发展多种清洁供热方式，主要包括电能供热、地热能供热、生物质能供热、太阳能供热、核能供热及氢能供热（热电联供），能够实现供热资源和形式的多元化、灵活性。电能供热是将清洁的电能转换为热能的环保的供暖方式。按照均匀性及受热面积分为点式供暖（空调、电热扇、辐射板等）、线式供暖（发热电缆等）、面式供暖（电热膜等）。地热能供热是以地热能为主要热源的供热系统。地热供热按照地热流进入供热系统的方式可分为直接供热和间接供热。直接供热是指把地热流直接引入供热系统，间接供热是指地热流不直接进入供热系统，而是通过换热器将热能传递给供热系统的循环水。生物质能供热是能够替代燃煤供热的绿色低碳型可再生能源供热方式。生物质能供热主要包括生物质锅炉供热和生物质热电联产，主要在农村冬季使用。太阳能供热是一种利用太阳能集热器将太阳辐射收集起来并转化为热能用于供暖的技术。核能供热是以核裂变产生的能量为热源的城市集中供热方式。氢能供热（热电联供）是将供暖供热及发电过程一体化的总能系统，其最大的特点就是能源的梯级利用。这里指的热电联供是以燃料电池作为动力驱动装置。燃料电池是把氢氧反应生成水产生的化学能转换成电能的装置。发电效率达40%以上，热电联产的效率达到80%以上。氢能供热（热电联供）节能环保、经济性高、安全可靠，是未来极具发展潜力的供暖方式。目前，在日本已经实现了燃料电池热电联供系统的商业化应用。表1为各类清洁供热的优缺分析。

2 清洁供暖定量比较分析

前述定性描述了六种清洁供热方式的优缺，下面进一步从成本、安全性、效果/效率、寿命、规模、应用领域六方面进行定量比较。

2.1 成本方面

电能供热：电热膜供热建设成本160元/m2，一个供暖季度2000元左右;地热能供热：深层地热初投资为8500元/kW，深层地热运行成本为20元/GJ;生物质能供热：生物质能供热成本较高，但运行成本低;太阳能供热：初投资210元/平方米，平均每年每平方米的运行成本3元;核能供热：低温核供热堆初投资为3250元/kW，低温核供热堆运行成本为8元/GJ。

2.2 安全性方面

电能供热容易发生电伤，安全性差且有轻微辐射;地热能安全可靠，对建筑地基无影响，但可能会引起地面的沉降;核能供热固有安全性好，但公众接受度低，存在安全隐患;太阳能供热、生物质能供热与氢能供热（热电联供）的安全性较好。优先排列为：电能供热>地热能供热>核能供热>太阳能供热>生物质能供热>氢能供热（热电联供）。

2.3 效果/效率方面

电能供热供暖效果好采暖率高，电热地膜供暖系统的热转换率高达98.68%;家用热电联供系统的综合效率超过85%;核能供热的供暖效果依靠距离，输送距离近的情况下供暖效果较好;地热能源利用效率较高，地源热泵能够带出较驱动能2.5倍的地热能，但对电能的依赖过高;生物质能清洁供暖主要在县级或乡镇农村，范围比较集中，供暖效果难以充分体现;太阳能分散，不稳定，效率低，太阳能行业普遍能够达到的太阳能热水系统效率为33%左右。优先排列为：电能供热>氢能供热（热电联供）>核能供热>地热能供热>生物质能供热>太阳能供热。

2.4 寿命方面

地热能供热寿命长可与建筑寿命相当;核能供热寿命达60年;太阳能供热寿命在15-20年;电能供热寿命在10-20年;热电联供的寿命在10年左右;生物质能供热寿命在5-10年。优先排列为：地热能供热>核能供热>太阳能供热>电能供热>氢能供热（热电联供）>生物质能供热。

2.5 规模方面

以山东省为例，电能供热：到2022年，全省电能取暖面积达到3亿平方米以上。生物质能供热：到2022年，全省生物质能供暖面积达到1.5亿平方米左右。地热能供热：到2022年，全省地热能取暖面积达到7000万平方米左右。太阳能供热：到2022年，全省“太阳能+其他”清洁能源取暖面积达到500万平方米左右。核能供热：未标明规划建设规模，但核能供热有两种方式，一种为低温核供热，即单个模块供热能力在200MW左右，与400万平米供热面积、10万人口规模的城市或县镇相对应;另一种是核电热电联产，单台1100Mwe机组供热能力超过2000MW，供热面积逾5000万平米，对应125万人口规模的城市。热电联供：目前主要在日本、欧洲、美国等地发展，后期在国内发展潜力巨大。优先排列为：电能供热>生物质能供热>地热能供热>太阳能供热>核能供熱>氢能供热（热电联供）。

2.6 应用领域方面

电能供热现阶段较普遍，主要应用于建筑、工业、交通、农业、家用等方面;地热能供热应用于平均地温梯度大于2.5℃/100 m，允许钻地热井的地区，集中供应生活热水市场的城镇住宅、工业区;生物质能供热适合城镇民用清洁供暖以及替代中小型工业燃煤燃油锅炉;太阳能供热适用于企业、工厂、院校、医院、社区、游泳池等阳光资源良好且需供暖的区域;核能供热适用于城市近郊或远离居民区的地点;热电联供市场的成功范例主要集中在日本、欧洲、美国等地，主要用于宾馆、医院以及居民小区等区域。

3 分布式能源

分布式能源系统是指按用户的需求就地生产并供应能量，直接面向用户，具有多种功能，可独立运行，也可并网运行，能够满足多重目标的中小型能源转换利用系统[7]。作为新一代功能方式，主要有四个特征：

（1）直接面向用户需求，布置在用户附近，减少能量输送成本。

（2）相对于传统的集中式供能系统，均为中、小容量，灵活节约。

（3）多功能趋势，既包含多种能源输入，又可同时满足用户的多种能量需求。

（4）可供选择技术也日益增多，如与燃料电池的结合，经过系统优化和整合，实现多个功能目标。

分布式能源系统的核心及重要组成部分是分布式冷热电联供系统，其种类繁多，可与风能、太阳能、生物质能相结合[8]。按热机类型分类，主要有燃气轮机、内燃机、汽轮机、斯特林发动机，以及燃料电池等分布式冷热电联供。其中，与燃料电池相关的热电联供系统为燃料电池-燃气轮机-余热吸收型分布式联供系统，SOFC固体氧化物燃料电池单独发电效率为50～60%，与燃气轮机组合成混合动力系统，其发电效率可达到60%，是目前最洁净的分布式能源系统之一。

4 热电联供节能性分析

综合清洁供暖方式及分布式能源的性质与优缺，可知燃料电池热电联供系统是最有发展前景的分布式清洁供暖系统。现从耗煤量、耗天然气量以及使用成本三个方面对燃料电池热电联供系统进行节能性分析。

4.1 依据耗煤量核算

模拟某户家庭一天24小时内的电热需求的工况[9]。热电联供系统运行情况主要包括电输出、热输出及热水温度。根据参考文献[9]，统计得系统一天之内的电量。用户在一天之内的用电量需求为8.4kWh，用热量需求等效折算为电能是10.6kWh;燃料电池一天之内发电量是9.5kWh，将燃料电池输出热负荷折算为电能是10.6kWh。假设天然气由煤炭制备，电能由传统的火力发电获得。通过采用热电联供和采用煤炭发电两种情况下的煤耗，对比传统用电用热方式与热电联供方式的能耗。

传统用电用热方式由电网提供所需热电，假设电热水器的效率为85%，则一天之内所用的电能为20.87kWh。中国平均供电煤耗370g标准煤/kWh，则产生所需的电能需要消耗的煤炭量为7.721kg。

热电联供系统一天之内的发电量是9.5kWh，燃料电池输出热负荷折算为电能是10.6kWh，对于CHP来说，这部分能量无需额外能量提供，采用余热供给。假设DC/AC变换设备效率为97%，带重整器的燃料电池CHP系统的总效率为72%（保守估计），则天然气需提供的能量为49MJ。可计算所需天然气的体积为1.35Nm3，即由煤炭发电提供的煤炭量为3.38kg。

经分析可知仍有1.1kWh的电能可并入电网，此部分节约的煤炭量为0.4kg，扣除这部分用量后燃料电池系统所耗煤炭量为3.38kg-0.4kg=2.94kg。

4.2 依據耗天然气量核算

已知1度电的热值为3.6MJ/kWh，1立方天然气的热值为36MJ/m3，由此可知一立方米天然气燃烧的热值相当于10度（1度=1kWh）电产生的热值。

传统用电用热方式，用户一天所用的电能是8.4kWh，用户所用热能等效折算为电能是10.6kWh，一共所需要的能量为19kWh，需要1.9m3天然气。

热电联供系统一天的发电量是9.5kWh，燃料电池输出热负荷折算为电能是10.6kWh，对于CHP来说，这部分热负荷能量采用余热供给，无需额外能量，一共产生9.5kWh的能量需要0.95m3天然气。

同时燃料电池系统所发电量扣除用户使用电量，剩余1.1kWh（0.11m3天然气）的电能，这部分电能可并入电网，那么热电联供系统满足用户用热用电仅需0.95m3-0.11m3= 0.84m3天然气。

所以，在忽略热电联供、热电水器效率的前提下，依据耗天然气量进行核算，节能率为：

4.3 用户端经济效益

4.3.1 管道输送天然气加天然气重整热电联供情况

由前述可知，依据耗天然气量估算，传统用电用热方式满足用户一天所需的能量是19kWh，需要燃烧的天然气的体积为1.9m3。假设天然气的价格：PCH4=4元/m3，那么用户一天的费用为：P1=4元/m3×1.9m3=7.6元。单纯从天然气使用量节约的角度，年节约天然气费用为：7.6元×56%×365天/年=1553元/年。

4.3.2 运输氢气加纯氢热电联供情况

在纯氢热电联供方式下，满足用户一天所需能量仅为8.4kWh，需要燃烧的天然气的体积为0.84m3。一个单位的天然气（CH4）对应两个单位的氢气（H2），所以所需氢气的体积约为1.68m3（ρH2=0.0899kg/m3）。假设现阶段较为理想的天然气重整制氢成本为PH2=15元/kg，加之运输费用，较为理想的氢气终端价格为20元/kg，则用户一天的费用为：P2=20元/kg×0.0899kg/m3×1.68m3=3元/天，年节省费用为1679元。

4.3.3 费用变化的主要影响因素

费用节约的影响因素有制氢成本、天然气价格、效率等，主要因素是制氢成本。目前的制氢成本与氢气终端价格如图1、2所示，随着制氢方式的多样性及制、储、运氢的产业链发展，氢气越来越容易获得，制氢成本也将大大降低。由制氢成本变化对应的年费用节省情况，如下图3所示。

当前氢气成本较高，若氢气售价在50-70元/kg，则花费高于使用天然气供热;若售价为50元/kg，则花费等于使用天然气供热;随着制氢成本下降，当售价为7元/kg，日消费1.06元/天，年节约费用2387元，此时可通过管道输氢代替交通运输;当售价为3.5元/kg，日消费0.53元/天，年节约费用2580元，此数据与日本NEDO 基于该国情况计算的数据2600/年持平。未来将可再生能源制氢（例如电解水制氢等）和管道输氢相结合，通过管道将制得的氢气直接运送到用户使用，从而逐步代替化石能源制造天然气、通过管道输送天然气、再进行重整制氢的方式，将更大限度的减少氢气使用成本，为用户带来更可观的经济效益，同时减少环境污染，带来巨大的社会效益。

5 结语

本文对绿色热力清洁供暖方式、分布式能源系统做了详细阐述，同时指出燃料电池热电联供不仅是绿色热力清洁供暖方式，还是直接面向用户的分布式能源系统，是未来极具发展潜力的供暖方式，也是目前最洁净的分布式能源系统之一。对燃料电池热电联供系统进行了节能性分析，依据耗煤量进行核算，采用天然气制氢的燃料电池热电联供系统与传统的用火电厂发电相比，节能率保守计算超过60%。依据耗天然气量进行核算，

忽略热电联供、热电水器效率，节能率约为56%。制氢成本是影响费用节约的主要因素，当制氢成本在20元/kg，年节约费用约等于1553元，与天然气重整方式基本持平。研究结果为燃料电池热电联供系统建模理论分析及研发奠定基础。

参考文献

[1] 李国柱，赵可鑫，郝婷婷.城乡家庭冬季供暖方式选择及其影响因素研究[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2019，40，03：116-124.

[2] 马小斐.清洁供暖业务发展浅析[J].山东工业技术，2018，20：95.

[3] 向南，李鹏，张雪琴，许凯.国内分布式能源发展现状与应用前景[J].科技资讯，2019，18：38-44.

[4] 金平.探究绿色供暖模式势在必行[N].经济日报，2016-09-08（14）.

[5] PENG WU，YU ZHANG，BAO-GUO SHAN，MO SHI，PENG ZHENG. Comparison and Potential Calculation of Clean Heating Technology Route in North China[J].DEStech Transactions on Computer Scien -ce and Engineering，2018：399-403.

[6] 蒙浩，吕泽伟，韩敏芳.日本家用燃料电池热电联供系统商业化应用分析[J].中外能源，2018，23，10：1-8.

[7] 国旭涛，蔡洁聪，韩髙岩，谢娜，吕洪坤.分布式能源技术与发展现状[J].分布式能源，2019，04，01：52-59.

[8] Carmen Lucia Tancredo Borges.An overview of reliability models and methods for distribution systems with renewable energy distri -buted generation[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2012，16，6：4008-4015.

[9] 李晓嫣.家用燃料电池热电联供系统的建模与仿真[D].西南交通大学，2011：40-44.