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(diǎn),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(yùn)輸,應(yīng)用場景廣泛,已被許多國家列為重點(diǎn)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(shí)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(yùn)行模式為:風(fēng)電、光伏發(fā)電在滿足調(diào)度計(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本研究從制氫、儲氫、運(yùn)氫三個(gè)方面出發(fā),計(jì)算各子系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益,結(jié)合實(shí)際情況,分析了風(fēng)光-氫耦合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(fèi)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(jià)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(yùn)氫技術(shù)

在儲運(yùn)氫環(huán)節(jié)中,儲氫模塊是一個(gè)重要環(huán)節(jié),也是一個(gè)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(yùn)氫方式的選擇對儲運(yùn)氫環(huán)節(jié)十分重要,其主要與運(yùn)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(yùn)氫方式有高壓氣態(tài)運(yùn)輸、低溫液態(tài)運(yùn)輸、固體運(yùn)輸以及有機(jī)液體儲運(yùn)。其中,短距離,高壓長管拖車運(yùn)氫方式較為適合;中等距離,液氫槽車運(yùn)氫方式是最佳選擇;大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的運(yùn)氫方式則選擇管道運(yùn)氫更好,詳見表3[12]。

表3 儲運(yùn)技術(shù)參數(shù)優(yōu)缺點(diǎn)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(yùn)氫,故采用長管拖車運(yùn)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(diǎn)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(shí)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(gè)重要領(lǐng)域,主要由壓縮機(jī)、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(jìn)行電解制氫,通過長管拖車進(jìn)行運(yùn)氫;由壓縮機(jī)將氫氣壓縮至儲存裝置中;供給燃料電池汽車的使用,實(shí)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(jià)指標(biāo)

主要采用以下評價(jià)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(yùn)營期和回收報(bào)廢期三個(gè)階段。

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

式中:(CI-CO)t——t時(shí)的凈現(xiàn)金流量;ic——基準(zhǔn)收益率,%;n——項(xiàng)目計(jì)算期,a。

經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率(Economic Internal Rate of Return,EIRR):EIRR 是費(fèi)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(jì)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(jìn)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(shí)所需成本。

式中:fc——系統(tǒng)故障率,%。

(2)備用容量補(bǔ)償成本(AC):在電力市場運(yùn)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(bǔ)償價(jià)格,元/kW;r1——系統(tǒng)的補(bǔ)償系數(shù);Q——系統(tǒng)實(shí)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(diǎn),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(jī)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(jìn)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(jì)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(xiàng)目建設(shè)期間所耗費(fèi)的費(fèi)用。

(2)運(yùn)營成本(O):因貸款而產(chǎn)生的資本成本、運(yùn)維費(fèi)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(bào)廢成本(S):系統(tǒng)壽命到期后,設(shè)備報(bào)廢處理所需費(fèi)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(jià)體系有很多,本研究主要針對經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益兩方面進(jìn)行闡述[16]。

2.4.2.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)濟(jì)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(jī)容量,kW;Hi——年利用小時(shí)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(jià),元;Tax——稅收總額,元;ES——補(bǔ)貼收益,元。

(2)儲能單元用于削峰填谷、補(bǔ)充供電不足,經(jīng)濟(jì)收益來源于兩部分:電費(fèi)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(shí)間,h;n——系統(tǒng)運(yùn)營時(shí)間,a;Rnet——電費(fèi)效益,元;Pp——高峰電價(jià),元/kW·h;Pl——低峰電價(jià),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(jìn)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(jī)組發(fā)電期間會產(chǎn)生CO2、SO2、NOx、煙塵等有害物質(zhì),計(jì)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(jià)值計(jì)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(yùn)營20 a。

該項(xiàng)目處于我國太陽能資源分類的第二類地區(qū),年日照時(shí)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(bǔ)性,風(fēng)機(jī)和光伏混合使用,經(jīng)過合理配置和優(yōu)化,能夠很好實(shí)現(xiàn)分布式能源優(yōu)勢互補(bǔ)、高效利用。

系統(tǒng)由風(fēng)電機(jī)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(jìn)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(gè)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(jī)組/光伏電站的發(fā)電量見圖6。

圖5 每個(gè)月平均風(fēng)速與日照時(shí)數(shù)

圖6 風(fēng)電機(jī)組/光伏電站的發(fā)電量

3.2 相關(guān)計(jì)算參數(shù)

風(fēng)電機(jī)組采用直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī),容量為2.5 MW,每臺成本價(jià)為800 萬元;風(fēng)電機(jī)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(jià)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(fèi)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(hù)一次設(shè)備;參考當(dāng)前市場價(jià)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(jī)等組成;壽命為20 a,儲氫罐、緩沖罐每5 a 維護(hù)一次;壓縮機(jī)每壓縮1 m3氫氣耗電0.26 kW·h;依據(jù)當(dāng)前市場價(jià)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(yùn)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(jià)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(xiǎn)等費(fèi)用為2.62 萬元。

加氫站建設(shè)歸于項(xiàng)目投資方,加氫站全年運(yùn)營,每天可滿足500 kg 的氫氣使用量,設(shè)備采購等費(fèi)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(shí)長都為10 h。該地區(qū)平段、高、低峰電價(jià)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(yùn)行維護(hù)需要大約100人左右,每人每年的的工資福利費(fèi)用為8 萬元,根據(jù)通貨膨脹情況,預(yù)計(jì)每5 a 漲一次費(fèi)用。

系統(tǒng)維護(hù)方面,維修費(fèi)用預(yù)計(jì)為初始投資成本的0.5%,根據(jù)市場運(yùn)行規(guī)律需要每5 a 追加0.5%的費(fèi)用。

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

3.3 經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jì)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(jià),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(jī)組、光伏電站在運(yùn)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(jī)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(jìn)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(diǎn)方向之一。

4 結(jié)論

本研究提出一種成本效益模型,運(yùn)用全壽命周期法,采用NPV、EIRR、LCOE 方法,從經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jì)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(jì)效益提供參考。但是該系統(tǒng)影響因素很多,后續(xù)可以進(jìn)行敏感性分析。