李 爭 ,羅曉瑞 ,徐若思 ,曹 欣 ,孫鶴旭

(1.河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 石家莊 050018;2.河北建投新能源有限公司,河北 石家莊 050051)

我國的能源結(jié)構(gòu)主要以煤、石油為主,隨著環(huán)境污染、生態(tài)失衡等問題日益嚴(yán)重,調(diào)整能源結(jié)構(gòu)已迫在眉睫[1-2]。氫能作為清潔、高效的二次能源,具有熱值高、環(huán)境友好等優(yōu)點,在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型階段起著重要的作用。在能源轉(zhuǎn)型過程中,氫能可以被儲存、運輸,應(yīng)用場景廣泛,已被許多國家列為重點扶持對象。隨著氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,迎來了氫能大發(fā)展的新時代[3]。

風(fēng)能、太陽能的使用具有波動性、間歇性等問題,存在“棄風(fēng)、棄光”現(xiàn)象,為此,本研究提出了風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)解決方案。該方案的運行模式為:風(fēng)電、光伏發(fā)電在滿足調(diào)度計劃的基礎(chǔ)上,將多余的電量用于電解制氫,氫氣儲存用于發(fā)電、作為工業(yè)原料。在發(fā)電過程中,配置一定的儲能模塊用于“削峰填谷”,實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本研究從制氫、儲氫、運氫三個方面出發(fā),計算各子系統(tǒng)經(jīng)濟效益,結(jié)合實際情況,分析了風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)經(jīng)濟性[4-5]。

1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈簡介

氫能產(chǎn)業(yè)鏈較長,相關(guān)產(chǎn)業(yè)比較全面,主要分為上游制氫、中游儲運氫及下游用氫三部分[6-7]。

1.1 制氫技術(shù)

制氫技術(shù)多樣,根據(jù)制氫原料不同,分為天然氣制氫、煤制氫、電解水制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫等技術(shù);根據(jù)碳排放量的不同,制氫技術(shù)可分為綠氫、藍(lán)氫、灰氫[7],具體分類詳見圖1。

圖1 主流制氫技術(shù)

不同制氫技術(shù)因其技術(shù)成熟程度,導(dǎo)致所耗費的成本不同。目前主流的制氫技術(shù)成本比較詳見表1[8]。在制氫環(huán)節(jié),制氫技術(shù)多種多樣,其中電解水制氫技術(shù)是未來制備氫氣的主要方式之一,目前,市場上技術(shù)成熟且價格低廉的電解槽主要是堿性電解槽,被市場所廣泛采用[9]。因此,本研究采用堿性電解槽用于電解水制氫。

表1 主流成熟的技術(shù)成本對比

1.2 儲運氫技術(shù)

在儲運氫環(huán)節(jié)中,儲氫模塊是一個重要環(huán)節(jié),也是一個限制因素。儲氫方式較為豐富[10],如圖2 所示:

圖2 儲氫方式分類

運氫方式的選擇對儲運氫環(huán)節(jié)十分重要,其主要與運氫距離的長短有關(guān)。由張理[10]和單彤文[11]等的研究可知,目前常用的運氫方式有高壓氣態(tài)運輸、低溫液態(tài)運輸、固體運輸以及有機液體儲運。其中,短距離,高壓長管拖車運氫方式較為適合;中等距離,液氫槽車運氫方式是最佳選擇;大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的運氫方式則選擇管道運氫更好,詳見表3[12]。

表3 儲運技術(shù)參數(shù)優(yōu)缺點對比

本研究選取高壓儲氫罐用于儲存氫氣,其使用壽命為20 a;由于工業(yè)用氫單位位于同一工業(yè)區(qū),距離在百公里以內(nèi),屬于短距離運氫,故采用長管拖車運氫。

1.3 用氫技術(shù)

氫能產(chǎn)業(yè)鏈中,氫氣利用是產(chǎn)生效益的重要環(huán)節(jié),并且作為燃料應(yīng)用于交通領(lǐng)域是未來社會發(fā)展的重點方向之一。其中,燃料電池(Fuel Cell,FC)是該過程中的關(guān)鍵設(shè)備。FC 主要是將氫氣作為燃料,把氫能轉(zhuǎn)化成電能,實現(xiàn)“氣—電”轉(zhuǎn)換,產(chǎn)物主要是水,無污染,是環(huán)境友好型設(shè)備[13]。

加氫站是終端氫能利用的另一個重要領(lǐng)域,主要由壓縮機、儲存裝置、控制系統(tǒng)組成。風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)利用多余的電能進行電解制氫,通過長管拖車進行運氫;由壓縮機將氫氣壓縮至儲存裝置中;供給燃料電池汽車的使用,實現(xiàn)“氫-電”轉(zhuǎn)換[14]。

2 成本-效益模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

將系統(tǒng)的收益與成本之間的差值最大化。

式中:Ytotal——系統(tǒng)收益總額,元;Xtotal——系統(tǒng)成本總額,元。

2.2 邊界條件

系統(tǒng)的邊界條件:

式中:Pmin——發(fā)電單元的最小功率,kW;Pplan——發(fā)電單元的調(diào)度功率,kW;Pmax——發(fā)電單元的最大功率,kW。

2.3 評價指標(biāo)

主要采用以下評價指標(biāo):

全壽命周期法:采用全壽命周期法,將系統(tǒng)壽命周期分為建設(shè)期、運營期和回收報廢期三個階段。

凈現(xiàn)值(Net Present Value,NPV):主要反映項目盈利的好壞。

式中:(CI-CO)t——t時的凈現(xiàn)金流量;ic——基準(zhǔn)收益率,%;n——項目計算期,a。

經(jīng)濟內(nèi)部收益率(Economic Internal Rate of Return,EIRR):EIRR 是費用效益分析中的相對指標(biāo)。

動態(tài)平準(zhǔn)化度電成本LCOE:成本或效益折現(xiàn)值與經(jīng)濟周期和年平均發(fā)電量乘積的比值[15]。

2.4 成本效益模型

成本效益模型的構(gòu)建思路如圖3 所示:

圖3 成本效益模型構(gòu)思

2.4.1 成本模型

成本主要從系統(tǒng)成本和非系統(tǒng)成本兩方面進行闡述。

2.4.1.1 系統(tǒng)成本

系統(tǒng)成本(SC)主要包括以下幾部分。

(1)故障成本(FC):系統(tǒng)發(fā)生故障時所需成本。

式中:fc——系統(tǒng)故障率,%。

(2)備用容量補償成本(AC):在電力市場運行過程中,電力系統(tǒng)會不確定的出現(xiàn)故障,需要一定備用容量,即用于“反調(diào)峰”所需成本。

式中:ac——系統(tǒng)的補償價格,元/kW;r1——系統(tǒng)的補償系數(shù);Q——系統(tǒng)實際發(fā)電量,kW·h。

(3)調(diào)峰成本(PC):相較于常規(guī)發(fā)電,風(fēng)力、光伏發(fā)電存在間歇性、波動性等特點,需要調(diào)峰技術(shù)來保障系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

式中:pc——系統(tǒng)的單位調(diào)峰成本,元/kW;C——系統(tǒng)的裝機容量,kW;r2——系統(tǒng)的調(diào)峰比例,%。

(4)傳輸成本(TC):發(fā)電單元遠(yuǎn)離用電終端,需進行電能傳輸。

式中:tc——度電傳輸成本,取值0.034 元/(kW·h),E——總上網(wǎng)電量,kW·h。

綜上所述,系統(tǒng)成本計算如下:

2.4.1.2 非系統(tǒng)成本

非系統(tǒng)成本(NSC)主要包括以下幾部分:

(1)初始投資成本(I):項目建設(shè)期間所耗費的費用。

(2)運營成本(O):因貸款而產(chǎn)生的資本成本、運維費用等。

(3)偶生成本(G):在系統(tǒng)全壽命期間,由于技術(shù)問題,蓄電池、逆變器更換產(chǎn)生偶生成本。

(4)報廢成本(S):系統(tǒng)壽命到期后,設(shè)備報廢處理所需費用。

綜上,非系統(tǒng)成本為:

2.4.2 效益模型

發(fā)電系統(tǒng)的效益評價體系有很多,本研究主要針對經(jīng)濟效益和環(huán)境效益兩方面進行闡述[16]。

2.4.2.1 經(jīng)濟效益分析

經(jīng)濟效益主要包含以下幾部分:

(1)風(fēng)電、光伏發(fā)電上網(wǎng)售電收益[16]:

式中:i=wind,pv;Ei——上網(wǎng)電量,kW·h;Ci——裝機容量,kW;Hi——年利用小時數(shù),h;ri——棄風(fēng)/光率,%;β——系統(tǒng)效率,%;R——售電收益,元;P——上網(wǎng)標(biāo)桿電價,元;Tax——稅收總額,元;ES——補貼收益,元。

(2)儲能單元用于削峰填谷、補充供電不足,經(jīng)濟收益來源于兩部分:電費收益和輔助服務(wù)效益[16]。

式中:CC——系統(tǒng)容量成本,元;cc——系統(tǒng)單位容量成本,元/kW;t——系統(tǒng)年工作時間,h;n——系統(tǒng)運營時間,a;Rnet——電費效益,元;Pp——高峰電價,元/kW·h;Pl——低峰電價,元/(kW·h);RE——儲能效益,元。

(3)系統(tǒng)電解制備的氫氣主要作為原料通過加氫站進行氫氣售賣獲取收益和作為廠區(qū)內(nèi)工業(yè)原料來獲取效益。

2.4.2.2 環(huán)境效益分析

環(huán)境效益主要基于火電技術(shù)而言,火電機組發(fā)電期間會產(chǎn)生CO2、SO2、NOx、煙塵等有害物質(zhì),計算如下[16]。

式中:Gi——對應(yīng)排放物減排量,kg;α——標(biāo)煤單耗,取值0.32 kg;Si——對應(yīng)物質(zhì)含量,%;λi——各污染物摩爾比;Ki——轉(zhuǎn)換效 率,%;ηi——工作效率,%。

各污染物的價值計算:

式中:θ取值為0.44(CO2)元/t、6.4(SO2)元/t、8(NOx)元/t、2.2(煙塵)元/t。

綜上所述,系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的環(huán)境效益總額為:

3 算例分析

選取某地的風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)作為研究對象,系統(tǒng)建設(shè)需1 a,系統(tǒng)運營20 a。

該項目處于我國太陽能資源分類的第二類地區(qū),年日照時數(shù)為3 000～3 200 h,年平均風(fēng)速可達(dá)5.4～8 m/s,風(fēng)向多為西北風(fēng),屬于第二類風(fēng)能資源區(qū)。由于光照資源和風(fēng)能資源的互補性,風(fēng)機和光伏混合使用,經(jīng)過合理配置和優(yōu)化,能夠很好實現(xiàn)分布式能源優(yōu)勢互補、高效利用。

系統(tǒng)由風(fēng)電機組、光伏單元、制氫負(fù)荷及儲能單元組成,通過變流裝置、控制單元耦合在1 200 V 直流系統(tǒng)中,再通過變壓器等逆變裝置與上級電網(wǎng)進行通斷處理,如圖4 所示。

圖4 風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)

3.1 風(fēng)電、光伏發(fā)電電量分析

該地區(qū)每個月的平均風(fēng)速,每月太陽能輻射量和平均風(fēng)速如圖5 所示;20 a 風(fēng)電機組/光伏電站的發(fā)電量見圖6。

圖5 每個月平均風(fēng)速與日照時數(shù)

圖6 風(fēng)電機組/光伏電站的發(fā)電量

3.2 相關(guān)計算參數(shù)

風(fēng)電機組采用直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機,容量為2.5 MW,每臺成本價為800 萬元;風(fēng)電機組設(shè)備及相關(guān)配件占風(fēng)電場建設(shè)成本的91%;基于調(diào)峰深度為40%、棄風(fēng)率為7.6%的情況,調(diào)峰和容量成本分別為0.15～0.267 元/(kW·h)、0.112～0.15 元/(kW·h)[17]。

光伏電站由單塊功率450 W 雙玻組件組成,本研究選取組件均價為1.75 元/W,光伏組件購置成本占光伏電站總成本的70%;容量成本為0.28 元/(kW·h)。

制氫環(huán)節(jié)采用堿性電解槽,每生產(chǎn)1 m3的氫氣耗費電能4.5 kW·h、水0.89 kg;使用壽命20 a,基于當(dāng)前技術(shù),需要每10 a 維護一次設(shè)備;參考當(dāng)前市場價格,該設(shè)備250 萬元/臺[18-19]。

儲氫裝置由高壓儲氫模塊、中壓緩沖模塊及壓縮機等組成;壽命為20 a,儲氫罐、緩沖罐每5 a 維護一次;壓縮機每壓縮1 m3氫氣耗電0.26 kW·h;依據(jù)當(dāng)前市場價格,每套設(shè)備需要400 萬元[10,14]。

產(chǎn)氫地到加氫站之間約100 km,采用長管拖車運輸,滿負(fù)荷情況下裝氫氣量為350 kg(20 MPa)/1 200 kg(50 MPa);加氫站每天需要500 kg 氫氣,拖車百公里油耗為25 L,目前市場上柴油價格為6.5 元/L;長管拖車初始投資成本為70 萬元,一般情況下可使用10 a;拖車每年維修、保險等費用為2.62 萬元。

加氫站建設(shè)歸于項目投資方,加氫站全年運營,每天可滿足500 kg 的氫氣使用量,設(shè)備采購等費用為1 200 萬元,占加氫站建設(shè)成本的80%[6]。

按一定比例將磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池組合成儲能電池,磷酸電池的快充快放、鉛酸電池的壽命長、適合浮充;初始投資為350 萬元/套。

儲能單元主要作用之一為削峰填谷,每天儲能電池的充放電時長都為10 h。該地區(qū)平段、高、低峰電價分別為0.650 6 元/(kW·h)、0.899 9 元/(kW·h)、0.401 3 元/(kW·h)。

人工方面,系統(tǒng)每年運行維護需要大約100人左右,每人每年的的工資福利費用為8 萬元,根據(jù)通貨膨脹情況,預(yù)計每5 a 漲一次費用。

系統(tǒng)維護方面,維修費用預(yù)計為初始投資成本的0.5%,根據(jù)市場運行規(guī)律需要每5 a 追加0.5%的費用。

報廢成本方面,由于目前沒有較好的處理方案,基本上屬于報廢處理,所產(chǎn)的費用集中在人工及運輸兩部分,針對系統(tǒng)初始投資而言,該部分費用很小,可忽略不計。

3.3 經(jīng)濟效益分析

為便于比較,設(shè)系統(tǒng)的總?cè)萘烤鶠?5 MW,風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)按一定比例進行容量配置。比較結(jié)果詳見表6。

表6 度電成本效益

綜上,在三種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,度電成本最低的是風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng);度電效益最好的是風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng);相較于其他兩種單一發(fā)電方式,風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟性。經(jīng)過分析可知,制氫、儲氫、用氫設(shè)備的成本,氫氣的售價,用于電解制氫的電量都是影響風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)NPV、EIRR 值的關(guān)鍵因素。

3.4 環(huán)境效益分析

相較于火電而言,可再生能源的優(yōu)勢在于環(huán)境效益,風(fēng)電機組、光伏電站在運營期內(nèi)基本不會產(chǎn)生各種環(huán)境污染物,無需環(huán)境治理成本的支出。風(fēng)電機組、光伏電站可以達(dá)到減排的目的和可以節(jié)約環(huán)境治理成本。本研究將治理環(huán)境、減排等產(chǎn)生的成本視為環(huán)境效益。此外,并網(wǎng)電量和用于制氫負(fù)荷的電量全部進行環(huán)境效益折算。10 a內(nèi)三種方式的污染物CO2環(huán)境效益詳見圖7:

圖7 三種方式10 a 內(nèi)CO2 環(huán)境效益對比

綜上,風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)的環(huán)境效益相較于單一風(fēng)電、單一光伏發(fā)電較好,風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)的環(huán)境效益可觀,可作為后續(xù)研究的重點方向之一。

4 結(jié)論

本研究提出一種成本效益模型,運用全壽命周期法,采用NPV、EIRR、LCOE 方法,從經(jīng)濟和環(huán)境效益兩方面,對單一風(fēng)電、單一光伏發(fā)電、風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)的成本、效益進行比較。結(jié)果表明,相較于單一風(fēng)電、單一光伏發(fā)電,風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)在經(jīng)濟效益、環(huán)境效益均有所提升。為今后風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)在氫能利用等方面提高發(fā)電站經(jīng)濟效益提供參考。但是該系統(tǒng)影響因素很多,后續(xù)可以進行敏感性分析。