彭業(yè)紅，李銳濤

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200092；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201100)

0 前言

在傳統(tǒng)能源向新能源轉(zhuǎn)換的時(shí)代背景和全球“碳達(dá)峰”與“碳中和”的低碳發(fā)展引領(lǐng)下，氫能成為新能源的重要組成部分。分布式質(zhì)子交換膜(PEMFC)熱電聯(lián)供系統(tǒng)是氫能作為分布式能源應(yīng)用的重要發(fā)展領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)多，如能源利用率高、能量轉(zhuǎn)換過程不受卡諾循環(huán)的限制、無污染、穩(wěn)定可靠性好等，具有很大的應(yīng)用潛力[1-2]。鑒于氫氣將來的大量消費(fèi)需求，傳統(tǒng)的化工、冶金行業(yè)可以通過對(duì)副產(chǎn)氫氣、尾氣的轉(zhuǎn)換和回收來制備氫氣，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)和節(jié)能降耗。PEMFC發(fā)電還可以增加光伏、風(fēng)電等可再生能源對(duì)于電力供應(yīng)系統(tǒng)的滲透性，是未來能源發(fā)展的重要途徑[3]。

現(xiàn)階段PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要分為小型(≤10 kW)熱電聯(lián)供系統(tǒng)和大型(>10 kW)熱電聯(lián)供系統(tǒng)，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)外有多個(gè)成功的應(yīng)用案例，并取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。但是，在相關(guān)文獻(xiàn)中，缺乏在具體應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)全生命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)分析的闡述[4-8]。因此，以小型(家用)PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)和大型(特殊醫(yī)院)PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景為例，對(duì)其全生命周期中氫氣能源制備到終端用戶的價(jià)格、設(shè)備的成本及使用的綜合成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)分析，為PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)分析提供參考。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為清潔、高效的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，將通入系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能并輸出?；厥誔EMFC運(yùn)行過程中產(chǎn)生的余熱加熱自來水向用戶供熱，顯著提高了氫燃料的利用效率。

PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了儲(chǔ)熱水箱和電壓逆變模塊。其中，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池電堆、水熱管理系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電力變換模塊等。PEMFC產(chǎn)生的電能先后經(jīng)過直流/直流變換器(DC/DC)的升壓和直流/交流變換器(DC/AC)的交流逆變，輸出適合居民及工業(yè)使用的220 V/380 V交流電；PEMFC在產(chǎn)生電能的同時(shí)，極化損失、歐姆損失和傳質(zhì)損失等電壓損耗會(huì)以熱能的形式損耗，熱能由冷卻液循環(huán)帶走，冷卻液流經(jīng)換熱器將攜帶的熱能交換至外界水源，以提供熱水。

圖1 PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理圖

2 系統(tǒng)成本

PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在不考慮政策性補(bǔ)貼的情況下，其主要成本由終端的燃料使用成本和系統(tǒng)的設(shè)備成本組成。

2.1 燃料使用成本

不同制氫技術(shù)所產(chǎn)生的燃料使用成本見表1[9]。由表1可以看出：煤氣化制氫方式和工業(yè)副產(chǎn)提純制氫方式的燃料成本相對(duì)較低，而網(wǎng)電電解水制氫方式的燃料成本較高。除此之外，高溫堆熱化學(xué)制氫是目前成本較低的新型制氫方式。

表1 不同制氫技術(shù)的燃料成本

當(dāng)前我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，到2025年初，珠三角地區(qū)制氫價(jià)格預(yù)計(jì)將從當(dāng)前的15～23元/kg降低到11～16元/kg，價(jià)格的下降有利于長(zhǎng)期的氫氣成本維持與產(chǎn)業(yè)推廣[10]。

到2030年底，藍(lán)氫成本將下降至18～22元/kg，綠氫成本將下降至20～30元/kg；2040年初后，綠氫成本將低于15元/kg，并且質(zhì)子交換膜水電解(PEME)制氫的成本將低于堿性水電解(AE)制氫；到2060年底，綠氫成本將下降至12～18元/kg，其中核電+PEME制氫的成本將低于15元/kg，光伏+PEME制氫的成本將接近于12元/kg[11-12]。

至2060年底，氫氣在能源終端的應(yīng)用比例預(yù)估在20%左右，中國(guó)將可能成為全球最大的氫能源市場(chǎng)，氫氣的年需求量將增長(zhǎng)至1.3億t左右。氫氣終端供應(yīng)現(xiàn)階段及預(yù)測(cè)價(jià)格見表2[13]。

表2 氫氣終端供應(yīng)現(xiàn)階段及預(yù)測(cè)價(jià)格

傳統(tǒng)市政供電和燃?xì)夤?以下簡(jiǎn)稱“傳統(tǒng)供能”)的價(jià)格變化總體平穩(wěn)，由于物價(jià)上漲，價(jià)格會(huì)逐年有所上漲[14]，因此，預(yù)測(cè)電單價(jià)和天然氣單價(jià)折算按每年5%變化率逐步上漲。

2.2 設(shè)備成本

PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備成本可理解為在整個(gè)生命周期內(nèi)的初期購(gòu)買成本和維修保養(yǎng)成本之和。降低設(shè)備成本的有效途徑有：① 降低初期購(gòu)買成本；② 提高可靠性，降低應(yīng)用過程中的維修保養(yǎng)成本；③ 提高有效壽命的使用時(shí)間。

燃料電池系統(tǒng)及儲(chǔ)氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和材料的突破可降低綜合成本，對(duì)燃料電池技術(shù)路徑的發(fā)展起到關(guān)鍵性作用。燃料電池系統(tǒng)及儲(chǔ)氫系統(tǒng)價(jià)格下降的重要影響因素取決于技術(shù)進(jìn)步和政策推動(dòng)規(guī)?；瘧?yīng)用。隨著燃料電池技術(shù)性能的提升，以及耐久性與壽命的提高，燃料電池下游應(yīng)用的全壽命周期成本將得到極大程度的改善。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)情況測(cè)算，小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格初步估算為10 000元/kW。而對(duì)于功率≥80 kW的商務(wù)車，預(yù)測(cè)2025年燃料電池系統(tǒng)價(jià)格約為3 500元/kW，2035年燃料電池系統(tǒng)價(jià)格約為1 000元/kW，2050年燃料電池系統(tǒng)價(jià)格約為500元/kW。PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)比燃料電池系統(tǒng)多出電壓逆變模塊和余熱回收系統(tǒng)，因此預(yù)測(cè)成本價(jià)格時(shí)在燃料電池系統(tǒng)基礎(chǔ)上應(yīng)乘以系數(shù)1.2。

PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)無故障可靠運(yùn)行時(shí)間約為2 000 h，經(jīng)過設(shè)備的技術(shù)迭代升級(jí)，預(yù)計(jì)今后與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的可靠性能持平。PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備初步預(yù)估生命周期為10 a，后續(xù)隨著技術(shù)的進(jìn)步，有效壽命可望提高至15 a甚至更長(zhǎng)。

綜合多種因素影響，預(yù)測(cè)了燃料終端價(jià)格和設(shè)備成本的變化趨勢(shì)，結(jié)果見表3。

表3 燃料終端價(jià)格和設(shè)備成本的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

3 小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)分析

目前小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要應(yīng)用在家庭、建筑等領(lǐng)域。傳統(tǒng)供能系統(tǒng)與熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比主要取決于用戶終端燃料使用價(jià)格、設(shè)備年分?jǐn)們r(jià)格及用能需求量。以5 kW系統(tǒng)為例，通過比較傳統(tǒng)供能系統(tǒng)與小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的供能年總費(fèi)用及設(shè)備年折舊成本的總額，分析2種供能方式的經(jīng)濟(jì)性。

3.1 靜態(tài)分析

在傳統(tǒng)供能系統(tǒng)中，采用市政電網(wǎng)供電和燃?xì)饧訜嶙詠硭墓┠芊绞?；而在PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，能量來源只有氫氣。常用的PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的控制策略有2種，即電負(fù)荷跟隨控制策略和熱負(fù)荷跟隨控制策略。電負(fù)荷跟隨控制策略可滿足用電需求，系統(tǒng)換熱量由運(yùn)行工況決定，多余或不足的熱量由輔助設(shè)備或儲(chǔ)熱設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充或存儲(chǔ)；熱負(fù)荷跟隨控制策略是指在滿足用戶需求的前提下，電能根據(jù)運(yùn)行工況決定，不足電量由電網(wǎng)來提供。為了先滿足用戶的生活用電，本文結(jié)合電負(fù)荷跟隨控制策略進(jìn)行分析。

以上海地區(qū)為例，假設(shè)每戶居民1 a的用電需求為4 000 kW·h、天然氣用量為550 m3(天燃?xì)獾臒嶂导s為36 MJ/m3)?？紤]電網(wǎng)的用電高峰與低谷的價(jià)格差異，假設(shè)居民用電高峰和低谷時(shí)段各占50%。小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)燃料綜合利用率為95%，發(fā)電效率為39%，熱效率為56%[8]，可測(cè)算出氫氣的使用熱值為143 MJ/kg。現(xiàn)階段上海居民市政供電和燃?xì)夤嵊?jì)費(fèi)方式均實(shí)行階梯價(jià)，本文計(jì)算傳統(tǒng)供能系統(tǒng)供能費(fèi)用參考相關(guān)執(zhí)行文件，即居民每年天然氣費(fèi)用為1 749元，電費(fèi)用為1 887.6元，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的供能年總費(fèi)用為3 636.6元。根據(jù)燃料電池額定工作效率計(jì)算，小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在額定滿負(fù)荷工況下能量轉(zhuǎn)化的熱電比約為1.435，當(dāng)產(chǎn)電為4 000 kW·h時(shí)，產(chǎn)熱對(duì)應(yīng)的電量為5 740 kW·h；550 m3天燃?xì)饪僧a(chǎn)生的熱量所對(duì)應(yīng)的電量約為5 500 kW·h。因此，小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能方式可完全覆蓋用戶的用能需求。小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用為5 萬元，有效壽命為10 a，折舊成本為5 000元/a。

小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的供能年總費(fèi)用可通過以下公式進(jìn)行測(cè)算：

(1)

式中：Csum為PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的供能年總費(fèi)用；Ch0為氫氣的單價(jià)；Qh為年總電量；Qh0為每千克氫氣產(chǎn)生的電量；C0為小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備總成本價(jià)格；N為設(shè)備使用年限。通過計(jì)算，小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的年供能總費(fèi)用為19 193.5元。

通過比較可得，小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能年總費(fèi)用比傳統(tǒng)供能系統(tǒng)多15 556.9元，約為傳統(tǒng)供能系統(tǒng)供能年總費(fèi)用的5.28倍。因此，小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在短期內(nèi)與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)相比不具備經(jīng)濟(jì)性。

3.2 動(dòng)態(tài)分析

由于電價(jià)、天然氣價(jià)格，以及終端的氫氣燃料使用成本、系統(tǒng)的設(shè)備成本隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；瘧?yīng)用會(huì)逐步調(diào)整，因此引入了考慮價(jià)格變動(dòng)的動(dòng)態(tài)變量來分析傳統(tǒng)供能系統(tǒng)和小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

假設(shè)居民年用能需求量不變。傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的電單價(jià)每年上漲比例為a，天然氣單價(jià)每年上漲比例為b；小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)終端的氫氣燃料使用成本每年下降比例為c，設(shè)備成本每年下降比例為d。則在某一組變量的組合下，兩者經(jīng)濟(jì)性將會(huì)出現(xiàn)持平的臨界點(diǎn)。傳統(tǒng)供能系統(tǒng)供能年總費(fèi)用與小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能總費(fèi)用的差值為：

(2)

式中：ΔC為傳統(tǒng)供能系統(tǒng)供能年總費(fèi)用與小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能年總費(fèi)用的差值；Cg為傳統(tǒng)供能系統(tǒng)用天然氣年總費(fèi)用；Ce為傳統(tǒng)供能系統(tǒng)用電年總費(fèi)用；Ch為現(xiàn)階段小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)終端的氫氣燃料使用成本；n為供能年限。

2種供能系統(tǒng)的供能年總費(fèi)用趨勢(shì)預(yù)測(cè)如圖2所示。由圖2可以看出：傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的供能總費(fèi)用將在2050年增加至現(xiàn)階段(2022年)的4倍左右，并且增長(zhǎng)速率逐漸加快；而小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的供能總費(fèi)用將減小為現(xiàn)階段的四分之一。預(yù)計(jì)在2035年—2040年，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)和小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的供能總費(fèi)用將出現(xiàn)持平的臨界點(diǎn)。

圖2 傳統(tǒng)供能系統(tǒng)和小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能年總費(fèi)用趨勢(shì)預(yù)測(cè)

圖3為2種供能系統(tǒng)的供能年總費(fèi)用差值。由圖3可以看出：隨著制氫成本和設(shè)備價(jià)格的進(jìn)一步下降，2種供能系統(tǒng)的供能年總費(fèi)用差值將大幅縮減，并且隨著應(yīng)用規(guī)模的逐步增大，小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的供能年總費(fèi)用降低速率將更加迅速，小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步體現(xiàn)。

圖3 2種供能系統(tǒng)的供能年總費(fèi)用差值

4 大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)分析

對(duì)于大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)還沒有成熟的產(chǎn)品推出。參照國(guó)內(nèi)大功率燃料電池系統(tǒng)設(shè)備成本和相關(guān)性能指標(biāo)，對(duì)大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)前期示范應(yīng)用和后續(xù)推廣應(yīng)用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)分析。

4.1 靜態(tài)分析

假定大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景是地震救災(zāi)臨時(shí)搭建的醫(yī)院，其額定功率為100 kW。PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，每小時(shí)可提供電能100 kW·h，可提供的熱能相當(dāng)于14.3 m3天然氣產(chǎn)生的熱量，對(duì)應(yīng)電能為143 kW·h。供能時(shí)間按照每年2 500 h計(jì)算。

傳統(tǒng)供能系統(tǒng)年供能總費(fèi)用為29.3萬元。大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)年供能總費(fèi)用為94.7萬元。大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)比傳統(tǒng)供能系統(tǒng)年供能總費(fèi)用多65.4萬元，是傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的3.23倍。因此，大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在短期內(nèi)與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)相比沒有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

4.2 動(dòng)態(tài)分析

在與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性競(jìng)爭(zhēng)下，為了提高大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能方式的優(yōu)勢(shì)，假設(shè)大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)為滿負(fù)荷運(yùn)行，轉(zhuǎn)換出的電能和熱能盡可能充分利用。在電單價(jià)每年上漲比例為a，天然氣單價(jià)每年上漲比例為b，而大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)終端的氫氣燃料使用成本每年下降比例為c，設(shè)備成本每年下降比例為d的趨勢(shì)下，由于大功率設(shè)備比小功率設(shè)備的單位功率成本更少，因此預(yù)計(jì)其經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn)會(huì)相對(duì)較早出現(xiàn)，如圖4、圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)供能系統(tǒng)和大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能年總費(fèi)用趨勢(shì)預(yù)測(cè)

圖5 2種供能系統(tǒng)的年總費(fèi)用差值

從圖4可以看出：在大功率能量需求場(chǎng)景下，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)供能年總費(fèi)用預(yù)計(jì)將在2050年增長(zhǎng)為現(xiàn)在的4倍左右，與小型家用場(chǎng)景類似；而大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能年總費(fèi)用將減小為現(xiàn)階段的三分之一。與圖3相比，2種供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性持平臨界點(diǎn)出現(xiàn)在2030年—2035年，大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在特定應(yīng)用場(chǎng)景將更早具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。目前大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)核心零部件的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，近年來隨著國(guó)產(chǎn)零部件的發(fā)展，系統(tǒng)成本明顯降低。隨著技術(shù)進(jìn)步和設(shè)備耐久性的提高，設(shè)備折舊成本會(huì)進(jìn)一步減少，并隨著應(yīng)用規(guī)模的推廣，大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的成本也將進(jìn)一步降低。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)供能系統(tǒng)所采用的市政供電和燃?xì)夤岬碾妰r(jià)和天然氣價(jià)均相對(duì)較低，PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)對(duì)比，沒有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。但隨著PEMFC核心技術(shù)的不斷提升、設(shè)備造價(jià)逐步降低、氫氣終端應(yīng)用價(jià)格的大幅下降，以及設(shè)備耐久性的提升，成本差距將逐步縮小甚至反超。大型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)將在2030年—2035年間展現(xiàn)出綜合成本優(yōu)勢(shì)。小型PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性將在2035年—2040年逐步體現(xiàn)，可在重要的特色城鎮(zhèn)社區(qū)和節(jié)能環(huán)保社區(qū)率先示范。

通過以上分析比較，我國(guó)PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的終端氫氣燃料使用成本、系統(tǒng)設(shè)備成本較高，以及傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的市政供電和燃?xì)夤醿r(jià)格較低的局面是阻礙我國(guó)市場(chǎng)推廣PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能方式的主要原因。因此，建議開展PEMFC熱電聯(lián)供技術(shù)攻關(guān)，加速推動(dòng)發(fā)展低成本、高效率、高可靠性的熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)技術(shù)，同時(shí)推動(dòng)上游降低制氫成本和安全高效儲(chǔ)運(yùn)方式技術(shù)的發(fā)展，降低氫氣在終端使用成本。我國(guó)在固定式發(fā)電、燃料電池汽車領(lǐng)域的技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)基礎(chǔ)，可以為PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化研發(fā)提供足夠的支撐。我國(guó)具有可再生能源的資源稟賦優(yōu)勢(shì)和電網(wǎng)建設(shè)先進(jìn)性優(yōu)勢(shì)，通過整合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)資源、選擇合適的技術(shù)路線、建設(shè)典型的示范應(yīng)用場(chǎng)景，我國(guó)完全有可能在新一輪住宅用燃料電池綜合供能系統(tǒng)研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中，占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。