世界上应用最多的燃料电池——分布式热电联供

内容摘要:提起氢能,大家的第一印象就是燃料电池,而提及燃料电池,大家的第一反应大概就是燃料电池汽车了。不过,目前世界上对氢气应用最多的并不是燃料电池,而是工业用氢;迄今为止,燃料电池应用最多的也不是汽车,而是燃料电池分布式热电联供系统。
       提起氢能,大家的第一印象就是燃料电池,而提及燃料电池,大家的第一反应大概就是燃料电池汽车了。不过,目前世界上对氢气应用最多的并不是燃料电池,而是工业用氢;迄今为止,燃料电池应用最多的也不是汽车,而是燃料电池分布式热电联供系统。

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燃料电池热电联供

燃料电池热电联供,是利用燃料电池发电技术同时向用户供给电能和热能的生产方式。用燃料电池运行过程中产生的余热供热,可提高能源的利用效率,而且减少二氧化碳和其他有害气体的排放。

这一概念是根据燃料电池的工作原理来定义的。在我国,根据热电联供的应用场景将燃料电池热电联供称为燃料电池分布式能源。

我们都知道,在交通运输领域,燃料电池发电过程中有较大的能量损失就是热量,电池的能量转换率为40%,为了降低燃料电池运行过程中的温度,还需要配上水冷或空冷系统。而热电联供则是将这一部分能量收集起来,使得氢气能源转换效率达到80%以上。与传统的火力发电输电相比,总效率提高2倍左右。
 
图1 PEMFC 产品参数范围
资料来源:于蓬等《氢燃料电池热电联供系统的关键问题研究》(2020年)。

图2 SOFC 产品参数范围
资料来源:于蓬等《氢燃料电池热电联供系统的关键问题研究》(2020年)。

热电联供的系统构成分为四个部分:(1)氢源发生器,根据不同的燃料电池技术路线有天然气重整制氢、电解水制氢、直接接入纯氢;(2)发电装置,即燃料电池系统是将氢气转化为电的装置;(3)电力电子,将燃料电池发电的直流电转换为应用端的交流电;(4)余热储存系统,将氢气发生器和燃料电池发电过程中产生的热量收集起来,用于热水供应。

图3 分布式燃料电池系统
资料来源:铧德氢能

其中,燃料电池有多种技术路线,如:质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、碳酸盐燃料电池(PAFC)等多种技术路线。在分布式燃料电池领域目前部署数量比较多的是SOFC和PEMFC。

表1 燃料电池类型及工作原理
电池中国网:《固体氧化物燃料电池 (SOFC) 产业化发展现状》
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日韩和欧洲是燃料电池热电联供的积极推动者

(1)日本ENE・FARM项目

日本对于家用燃料电池的兴趣可以追溯到1999年,其千禧年项目就包括对于PEFC研究的支持。

2003年5月28日,松下电器发布他们准备在2005年批量上市的一个产品,提高发电效率和耐久性家庭燃料电池。EMS系统一年能节约5万日元光热费,耐久性是10年。

同期,三菱重工发布已经成功开发出用都市煤气,也是管道煤气与天然气作为燃料,世界最小的家庭燃料电池。这也是一千瓦,当时设计为80升,容积非常小。这个效率是36%,2003年批量上市销售。它的特点是综合效率是87%,除了发电以外还有热能的效率,就是提供热水。

日本政府于2005年开始了一个大型家用燃料电池示范项目——日本的能源农场(Ene-farm)计划,2005-2009年验证和试点期间,累计销售分布式燃料电池系统近5000套,将系统购置成本从2005年的800万日元降低到2009年的350万日元,降幅高达56.25%。‘

2010-2020年为产品的推广与普及期,日本政府从2010年开始对于安装燃料电池系统的家庭提供140万日元或制造成本一半的补贴。

2015年由松下、东芝等企业推出的新一代家用燃料电池系统售价已经低至约150万日元,较2005年和2009年价格分别下降了81.25%和57.14%,其热电系统效率更是由最初的70%,提升至95%。同时,政府补贴额度也降低至50-60万日元。随着规模的增长,燃料电池成本大幅下降,到2019年,日本热电联供已经完全实现了平价销售,实现了商业化,并出口欧洲市场。

图4 日本Ene-farm计划补贴变迁
资料来源:《松下放大招:氢能源入户,热水器危险了》

根据家庭对热水的需求,设计700W的额定输出功率, 预计到2030年安装530万套 ,约占日本家庭的10%,发电效率达到40%左右,而发热效率在50%左右。此系统可为日本每一户家庭每年节省2600元人民币左右的电费燃气费用。截至目前,日本燃料电池热电联供系统累计销售超过40万套,仅松下一家就超过了20万套。

图5 日本热电联供销售情况
资料来源:科杰内基金会

(2)欧洲Ene-field与PACE计划

欧洲的ene.field工程基于欧盟成员国普通家庭的需求,2012年,欧盟实施Ene-field项目,项目包含欧盟12个成员国、9家燃料电池系统制造商,项目投资5300万欧元,研发了数十款SOFC及PEMFC热电联供系统。在2012~2017年累计安装1046台系统,其中包括300W-5 kW的PEM和SOFC的mCHP系统。

PACE项目以ene.field的成功为基础,欧洲计划2016-2021年期间部署超过 2800套CHP。

示范项目推广基于氢燃料电池的热电联产系统,目前已经部署了大约10000套燃料电池微型热电联产装置。

欧洲四大燃料电池热电联产企业Bosch、SOLIDpower、Vaillant和Viessmann产能超1000套/年。

根据欧盟《氢能路线图》,预计到2040年欧盟将部署超过250万套燃料电池热电联供装置,可节省电网电量15太瓦时,除供电外氢能能满足所有商用建筑以及1100万户家庭的供暖需求。

在德国,政府通过的kfW433法案,对满足性能要求的燃料电池热电联供装置进行补贴,并要求燃料电池系统总效率高于82%,发电效率高于32%,使用寿命达到10年。Callux项目在2008~2012年间建成了350个家用燃料电池热电联供系统,支持1500套250W-1.5 kW的装置, 每年为7.5万套装置提供补助。

(3)韩国热电联产纳入RPS方案

RPS方案是强制发电公司在总的发电量中提供一定比例的新能源和可再生能源,于2012年在韩国开始实施。2017年,18家发电公司(装机量超过500MW)被要求到2023年需提供其发电量10%的新能源与可再生能源。RPS方案的目标每三年更新一次。参与RPS方案的企业能够获得绿证(RECs),这其中包括了部分燃料电池企业。

2018年,韩国燃料电池热电联供系统装机容量达到7MW,2019年增加4MW。在2020年上半年的448kW的装机中,家用和建筑用安装量分别为28.13%和81.87%。

2019年补贴1875万韩元/kW(约11万人民币),2020年补贴1557.8万韩元/kW(约9.2万人民币)。韩国除了308MW的大型燃料电池发电外,还有7MW的燃料电池为3167个家庭/建筑物供电(2020年8月《氢燃料电池热电联供系统的关键问题研究》)。

与现代汽车拥有燃料电池核心技术不同的是,韩国分布式燃料电池技术主要来自美国加州,其中碳酸盐燃料电池(PAFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)占主导地位。今年7月,Bloom Energy又为韩国首个结合热力和电力的储能项目提供固体氧化物燃料电池(SOFC)。

斗山是韩国实施分布式燃料电池工程的本土企业,负责斗山集团住宅和小型建筑的 Fuel Cell Power BU自2003年成立以来,已获得从设计和制造燃料电池核心技术电堆和重整器到系统的全方位技术。已形成100%自主集成和制造 1kW·5kW·10kW建筑/住宅用氢燃料电池产品的能力,并可根据需求开发 1kW~100kW氢系统等PEMFC产品。

近日,斗山集团宣布,已完成使用在住宅和小型建筑的10kW级SOFC的开发,产品的发电效率对比现有的PEMFC产品发电效率高出40%以上。但产品尺寸与市场上现有的5kW以下的SOFC产品相近,在保持发电效率不变的情况下,可节省约50%以上的安装空间。预计该产品量产,定于2022年上市。

韩国2022年和2040年的计划分别实现50MW和2.1GW的目标,安装量达到94万户,是目前安装量的200倍。

图6 韩国分布式燃料电池发展计划
资料来源:铧德氢能

(4)美国的SGIP计划

美国的新能源主要是集中在加州推广,2001年启动的自发电激励计划(Self-Generation Incentive Program,SGIP)是美国历时最长且最成功的分布式发电激励政策之一。该计划用于鼓励用户侧分布式发电,包括风电、燃料电池、内燃机、光伏等多个技术类型。自2011年起,储能被纳入SGIP的支持范围,储能系统可获得2美元/W的补贴支持。

美国是最早研发分布式燃料电池的国家,主要燃料电池企业Bloom Energy主导, 其根源可以追溯到亚利桑那大学为美国航天局火星太空计划的一部分工作。KR Sridhar博士和他的团队被指派负责研究和制造可以在火星上维持生命的技术。他们建立了可以由电力产生空气和燃料,或从空气和燃料产生电力的装置。他们很快意识到,他们用于火星的技术可以在地球上产生更大的影响。

2001年,他们的火星项目结束后,他们决定继续研究,并开办一家公司,Bloom Energy 由此成立,其使命是使清洁、可靠的能源为地球上每个人都负担得起。

2002年获得著名投资人John Doerr 和Kleiner Perkins的股权投资。当时,清洁技术“Clean Tech”甚至还不是一个真正的单词。

Bloom Energy的业务主要是美国和韩国市场。美国的另一家燃料电池企业是成立于1969年的燃料电池能源公司(FCE),两家都是上市公司,都是韩国分布式能源技术的重要供应商。

美国的分布式能源政策主要体现在减免部分投资税、缩短资产折旧年限、简化经营许可程序、项目并网,调动项目投资的积极性。

氢气作为燃料的分布式能源系统不仅局限于燃料电池,上周,全球工程机械龙头企业卡特彼勒宣布,2021年第四季度开始提供专门设计可使用100% 氢气作为燃料的Cat G3516H燃气内燃机发电机组。初始阶段,Cat G3516H 氢气发电机组将在北美和欧洲地区作为实验产品提供,并于2022 年底首次交付,其额定功率为1250kW,适用于50或60Hz连续、主用和负载管理应用工况。

卡特彼勒还称,今年晚些时候将在北美和欧洲商用市场开始陆续推出Cat CG132B、CG170B、G3500H、G3500 及 CG260 燃气发电机组,这些型号发电机组可使用掺入高达25%氢气的天然气作为燃料,用于连续、主用和负载管理应用工况。

此外,公司将提供升级改装套件,为在同款发动机平台基础上组装的发电机组提供高达25%的氢气混合能力。2022 年第四季度将开始生产新的可使用25%氢气作为燃料的燃气发电机组和改装套件。

总体来看,目前推动分布式发电最积极的国家是日本、欧洲、韩国,而美国则是重要的技术来源。分布式燃料电池分为两类:一类是功率达到在100kW和兆瓦(MW)级的大功率发电系统,技术路线包括了MCFC、SOFC、PEMFC、AFC、PAFC等,主要用于分布式发电工程、充电装置、工业、医院等分布式发电、临时电源或可再生能源调峰。

表2 国外千瓦和兆瓦级分布式发电代表企业
资料来源:根据公开资料整理

另一类以欧洲inhouse和日本松下为代表的千瓦级以下的小功率发电系统,主要用于家庭热电联供,主要是PEMFC和SOFC。

表3 国外千瓦级以下热电联供代表企业
资料来源:铧德氢能

我们观察到分布式燃料电池氢气来源比较多样化,除了东芝100kWPEMFC使用的纯氢燃料外,其他都是通过天然气、液化石油气、或沼气重整产生氢气,然后通过燃料电池供应电力和热力。
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中国氢能分布式能源

我国分布式能源是企业的投入早于政策规划,就像大连化物所是我国PEM燃料电池的权威研究机构并创立了燃料电池企业新源动力,中国科学院宁波材料技术与工程研究所(NIMTE)则承担了固体氧化物燃料电池、碳纤维及其复合材料、石墨烯、海洋材料等领域国家研究课题,并产出了一批重大成果。2006年就开始研究固体氧化物燃料电池,并培养了一批专家型人才。

中国科学院上海硅酸盐研究所自主研发的1kW固体氧化物燃料电池(SOFC)系统2013年就成功发电。

如宁波索福人能源技术有限公司和上海SICCAS高科技公司的团队就来自这两家科研机构。此外,苏州华清京昆新能源科技有限公司和武汉华科福赛新能源有限责任公司的技术分别来自清华大学和华中科技大学。

目前,除了来自科研机构的研发团队成立的创业型企业以外,国内分布式燃料电池企业也有中央企业如中广核、东方电气、华能集团,传统能源公司如新奥集团、晋煤集团、潍柴动力,也有海归科学家创业团队佛山索弗克氢能源有限公司、徐州铭寰能源有限公司等。

而从技术来源来看,除自主研发外,也有如潍柴动力、铧德氢能、潮州三环等企业通过收购兼并或引进国外技术实施产业化推广的企业。

表4 国内分布式燃料电池代表企业
资料来源:根据公开资料整理

与国外已经实施量产的进度比较,我国分布式燃料电池系统目前尚处于研发和工程验证阶段。

中国科学院上海硅酸盐研究所燃料电池材料与系统研究课题组成功研制出5kW固体氧化物燃料电池(SOFC)系统,并实现演示运行。该5kW级SOFC独立发电系统使用了190片20x20cm2单体电池,以液化天然气为燃料,输出功率为4.77 kW,发电效率为36.5%,热电联供综合能量利用率达74.6%。

今年5月18日,东方电气(成都)氢燃料电池科技有限公司自主研制的100kW级商用氢燃料电池冷热电联供系统正式发运交付。

该项目由东方氢能、东方锅炉与华电集团四川分公司三方联手打造,东方氢能主要承担燃料电池热电联供部分研制工作。系统发电效率大于52%,热电联供总效率超过90%,支持离网并网、孤岛运行和黑启动,同时对外提供65℃热水。

2019年,上海舜华新能源系统有限公司全资子公司上海舜卓能源科技有限公司燃料电池热电联供项目在上海市某别墅内调试启动成功。系统通过天然气重整制氢、燃料电池发电以及对燃料电池余热进行回收利用,最终向用户供应日常用电和生活热水。报道称,系统安装后可满足用户基础生活用电和一家4-5人洗浴热水需求,系统综合能源利用效率高达95%。

不过,由于国内氢能基础建设和燃料电池性能、成本目前都还不具备规模化推广的条件,这个产业的发展还需要政策的培育。

从政策层面来看,分布式能源正在被越来越多的地区纳入氢能规划项目,目前全国24个省市累计支持氢能产业政策超过100个,其中提到氢能分布式能源的有37个,今年8月统计下来35-36%比例提到分布式能源供电系统,而去年7月这一比例只有10%多一点。

与日本、欧洲专门针对热电联供的ENE・FARM、Ene-field与PACE等计划不同,国内目前还没有一项类似鼓励分布式燃料电池产业化的特别政策,不过地方政府提出了一些目标,其中,华东和华北政策支持力度比较大,分别有16个和10个氢能政策支持分布式能源,目前北京、佛山、四川氢能规划明确了分布式的装机量:

2025年前北京分布式能源系统装机规模10MW以上;2025年和2030年佛山市分布式能源系统装机规模分别实现2MW和10MW;四川省提出,到2025年实现热电联供(含氢能发电和分布式能源)、轨道交通、无人机等领域示范应用,建设氢能分布式能源站和备用电源项目5 座。

今年4月,科技部与山东省政府就“氢进万家”科技示范工程将对家用热电联产产生直接影响。

“氢进万家”科技示范工程,瞄准在工业园区、社区楼宇和交通移动用能、港口、高速等多个场景开展氢能利用示范,其中包括建设一条氢能高速、二个氢能港口、三个科普基地、四个氢能园区、五个氢能社区等,明确要推行楼宇用热电联供。

图7 “氢进万家”示意图

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全球市场广阔,中国可望进入产业化

燃料电池分布式能源以其氢气来源多样、环保、能量高效得到了快速发展,成为全球燃料电池和氢能发展最快的板块。全球燃料电池分布式能源市场2013年、2015年、2017年分别为215MW、299MW、670MW,年复合增长率33%,日本富士经济2018年预测,2030年、2050年全球将达到25.4GW和95GW,复合增长率7-9%。

图8 全球燃料电池分布式市场及预测
资料来源:铧德氢能

目前,在我查阅的资料中还没有燃料电池分布式与传统电力系统+燃气轮机的经济性系统比较,更没有家用热电联供的经济性系统比较,但通过比较世界主要经济的电价,我们发现目前发展燃料电池分布式电站和家用热电联产最积极的国家主要是电价比较贵的日本和欧洲。而且日本因为地震多发需要备用电源,所以,家用热电联产推广比较顺利。

而在电价相对比较便宜的国家中,美国和韩国也并没有放弃分布式。不过,韩国的家用热电联供安装量的比例远远低于公共建筑。

图9 世界主要经济体电价
资料来源:能源网

从能效来看,电网电力和传统热能锅炉的组合通常提供不到50%的能效,但燃料电池分布式综合能效可以达到80%,近期我国东方电气热电联供项目和美国卡特彼勒的CHP系统可以提供高达90%或更高的总能效。

全球最成功的日本无论从购置成本(2019年实现平价销售)还是在使用成本(每年节省费用约2600元人民币)都已经证明了分布式能源兼有环保和经济性。随着燃料电池技术的进步,这一技术可能会得到普及,所以,日本、欧洲和韩国都制定了比较宏伟的目标。

我国电网比较稳定,民用电价也不高,潍柴新能源门军辉认为,国外热电联供的成功主要还是因为电价贵,目前国内热电联供的场景不是一个好的突破口,随着光伏、风电等新能源发电的比例提高,可再生能源发电的消纳问题就会更突出,伴随着氢储能的增加和氢气供应的普及,会对燃料电池热电联供产生促进作用。目前这一技术更适合在别墅、岛屿等场景的推广。

佛山环境与能源研究院副院长王子缘认为,从地方资源禀赋和经济性来看,目前我国分布式燃料电池从购置成本和使用成本上都没有吸引力,但我国能源趋势正在朝着清洁化、多元化、智慧化、去中心化”四化“方向发展,其中”去中心化“是以分布式从根源上逐步解决能源结构严重不平衡的问题,西部地区没有特高压和天然气,有一些网络孤岛,可以用可再生能源和分布式相结合来解决。

王子缘说,燃料电池分布式是传统电力结构的有益补充而不是竞争关系,再比如在一些特定的场合,有些工业用户,需要大量的电和热,在天然气价格居高不下的情况下,采用分布式燃料电池也可能是未来替代“电+燃气轮机”的一条路径。

阮红权 、陆丁劼 、李永田通过对比中外热电联供的分析(《公共建筑燃料电池热电联供前景分析》)认为:“在我国采用固定式燃料电池热电联供将是一种可选方案,可以获得比家用热电联供更佳的经济效益。公共建筑燃料电池热电联供的推广主要受限于设备成本及燃料使用成本,随着氢产业链的快速发展,有望在气源有保障的地区率先得到示范。”

而且,分布式热电联供是一个全球市场,中国燃料电池配套环境比较好,除国内市场的预期以外,国际市场的高成长也将为相关企业的产业化提供市场条件。
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