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燃料電池分布式發電和熱電聯產的全球發展現狀
分布式熱電聯產系統直接向終端用戶提供，與傳統的集中生產、運輸、終端消費均可使用方式相比，分布式能源供應系統直接向不同能源類別的用戶提供，最大限度地降低運輸成本，有效利用余熱發電過程。從而提高能源效率。燃料電池分布式發電具有效率高、噪音低、體積小、排放低的優點。適用于距離用戶較近的千瓦~兆瓦級分布式發電系統。其主要應用領域是微型分布式熱電聯產、大型分布式電站或熱電聯產系統。目前質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)技術已成功應用于家庭分布式熱電聯產系統和中小型分布式電站。
2019年，全球固定燃料電池出貨量為221MW，占燃料電池總出貨量的19.6%。固定式燃料電池已連續4年銷售5萬多臺，裝機容量超過200MW。在機組出貨量方面，主要是小型國產熱電聯產設備，而大型固定商用分布式發電設備是裝機容量的主要貢獻者。
日本是全球最大的微型分布式熱電聯產系統市場。日本國產燃料電池EnE-FARM項目是世界上最大的微型燃料電池分布式電站示范項目。該項目始于2009年。本系統采用熱電聯產方式。該項目從前期研發到示范推廣得到了日本政府的大力支持。
如產品的初始價格為303萬日元，日本政府補貼每臺140萬日元，相當于制造成本的一半。隨著銷量的增加和技術的進步，制造成本逐漸下降，補貼逐漸減少。截至2019年，約32萬戶日本家庭購買了enE-Farm系統，主機平均價格降至不到100萬日元。過去10年里，價格已下跌約70%，政府補貼已降至8萬日元的SOFC。政府計劃到2020年部署總計140萬個國內燃料電池熱電聯產系統，并完全取消補貼。實際上，這個目標在很大程度上是無法實現的。
與SOFC相比，PEMFC在總安裝單元中所占的份額要大得多，這主要是因為SOFC的成本在早期要高得多，并且隨著SOFC成本的迅速下降而增加。目前，由于氫氣純度高，運輸困難，成本高，近90%的產品使用城市天然氣，10%使用液化石油氣(LPG)作為燃料。在操作過程中，燃料在內部轉化為合成氣。質子交換膜燃料電池進一步提純成高純度的氫，然后送入燃料電池發電。由此產生的熱水用于家庭洗浴和地暖。經過多年的研發投入，其技術參數得到了迅速的提高，松下700W PEM熱電聯產系統累計銷量占日本市場的一半，并已發展到第五代，發電系統效率可達39%，使用壽命也從原來的70000h提高到90000h，機組成本已降至接近800000日元的目標價格，政府不再補貼;SOFC熱電聯產系統雖然相對昂貴，但目前發電量占總發電量的52%，使用壽命超過4萬小時。在年銷售額方面，愛新的SOFC與松下的PEMFC系統并駕齊驅。
近年來，除了家用微系統外，日本也開始了燃料電池熱電聯產系統在商業建筑領域的應用和推廣。2018年底，松下發布了一款基于pemfc的5kW氫燃料電池動力系統，電效率為57%。東芝推出了H2Rex系列系統，范圍從700W到3.5kW到100kW(使用多個3.5kW模塊)，適用于小型商業應用，如零售商店和酒店。2019年6月，日本三浦公司宣布將于10月推出FC5B，這是一種與英國CeresPower公司合作開發的4.2kW熱電聯產產品，用于商業建筑領域，發電效率為50%，熱電聯產效率為90%。
與主要專注于微型系統的日本不同，美國和韓國一直專注于開發功率從100千瓦到兆瓦的大型分布式燃料電池電站。得益于創新機制的激勵和政策支持，大型固定燃料電池分布式電站在美國的應用發展最為迅速。BloomEnergy為客戶提供從200kW到1MW的分布式電源解決方案。系統初始發電效率高達53%~65%。截至2020年上半年，Bloom已在全球部署和運營近500MW發電系統，在過去10年里發電量超過160億千瓦時。沃爾瑪(Wal-mart)、宜家(IKEA)、梅西百貨(Macy's)、摩根士丹利(Morgan Stanley)、國防部(DEPARTMENT of Defense)等商場和寫字樓，以及美國電話電報公司(AT&T)、聯邦快遞(Fedex)等移動基站和配電中心，提供數百千瓦的24小時不間斷分布式電力供應。FuelCellEnergy在2019年經歷了“生死考驗”，主要生產100千瓦SOFC系統和兆瓦MCFC分布式熱電聯產系統，在全球安裝分布式電廠設備超過300MW。
韓國在推進大規模燃料電池分布式發電站的同時，主要通過收購或共同開發，從北美和歐洲獲得了先進技術。2012年，LG收購羅爾斯-羅伊斯燃料電池系統項目，成立LG燃料電池系統公司，致力于250kW~20MW SOFC分布式發電系統的研發和推廣。該公司演示了一個200kW的天然氣加壓SOFC系統，直流發電效率為60%。浦項制鐵能源通過收購FuelCellEnergy的股份，在國內建設了18個商用燃料電池發電廠，總發電量為170MW。最大的單一發電站是位于京畿道華城的58MW燃料電池發電站。斗山集團FuelCell以FuelCell技術為基礎，構建了從發電到住宅的完整產品線。主要產品包括600W、1kW、5kW和10kW的商用和家用PEMFC燃料電池，以及400kW的工業和商用磷酸燃料電池(PAFC)。發電效率42%，熱效率52%，全球累計銷售數百套產品，累計發電20億千瓦時。
燃料電池分布式發電系統在我國的應用尚處于研究階段。一些機構已經推出了基于各種燃料電池類型的發電系統。中科院大連化合物研究所研制的10kWPEMFC分布式發電系統，實現了天然氣改造的PEMFC熱電聯產。大型發電系統的相關開發還處于探索階段，一般還停留在小原型的研發和演示階段，2020年10月，國家能源集團研發的第一套20kW級SOFC發電系統試驗成功。
燃料電池分布式發電的經濟分析
燃料電池是分布式電站應用領域的一項新興技術，其市場推廣速度與發電成本密切相關。在不考慮政策補貼的情況下，發電成本主要由燃料成本和設備折舊成本構成。
上表顯示了中國、日本和美國的典型住宅和商業電力和天然氣價格。在美國，大規模分布式發電是常態，電力和天然氣價格都很低。根據目前大型SOFC發電系統成本為3萬元/千瓦，效率計算為55%，以天然氣為原料(下同)，SOFC發電燃料成本和折舊成本約為0.3元/千瓦時和0.5元/千瓦時。無維護總發電成本約為0.8元/kWh，與工商業用戶購電成本基本相同。若能有效利用熱量，則熱值約為0.1元/kWh，如圖2所示?？紤]到聯邦和州政府對燃料電池分布式電站可以提供可再生能源配額、投資基金補貼、稅收減免和安裝(如加州，使用天然氣和生物質氣化燃料電池分布式發電廠提供600美元/千瓦和補貼1200美元/千瓦)方面的政策支持,所以即使考慮維護成本,目前,它有一定的經濟,一些大型企業用戶也更熱衷于演示應用程序。在中間(2030年)和長期(2040 - 2050),隨著技術的進步和規模擴張,固體氧化物燃料電池系統成本達到顯著下降,假設它們減少到12000元/千瓦,8000元/千瓦,發電效率提高60%和65%,同時天然氣價格,發電成本預計分別降至0.44元/千瓦和0.37元/千瓦時左右，遠低于工商業用戶電價。即使天然氣中長期價格在目前基礎上翻一番，發電成本仍將低于0.8元/千瓦時，顯示出良好的經濟優勢。雖然面臨著與分布式燃氣輪機發電的競爭，但后者由于設備成本較低，具有一定的經濟優勢;而分布式燃料電池電站具有模塊化性能強、場景自適應性能好、可擴展性好、無污染、噪聲小、可持續性等優點。它不僅可以作為主電網的補充，還可以作為島嶼、山區和偏遠地區獨立發電的主要電源。因此，分布式SOFC系統有望在未來的美國工業和商業領域實現一定規模的應用。
美國近期、中期和長期分布式燃料電池系統在工商業發電經濟性分析
日本居民用電價格明顯高于工業和商業用電價格，是中國的3倍以上。居民燃氣價格也比中國高得多?；谀壳靶⌒蚉EMFC和SOFC的銷售價格，假設發電效率分別為39%和52%，壽命分別為9萬和6萬小時，整個壽命下的折舊成本分別為0.9元/kWh和1.67元/kWh。如果天然氣價格分別以8.7元/m3計算，不考慮維護費用，每千瓦時的燃料成本高達3元/千瓦時和2.2元/千瓦時。不考慮熱值，千瓦時的成本至少為3.9元/千瓦時，如圖3所示，遠高于日本的居民電價。因此，如果單獨考慮發電，就沒有經濟效益。如果將熱電聯產加熱部分的值進行折算，發電成本將分別降低到2.6元/kWh和3.2元/kWh，與電網成本的差距將大大縮小。與此同時，日本燃氣公司將向購買ENE-Farm產品的用戶提供一定的天然氣價格折扣。無論燃料電池是否使用天然氣，所有家庭使用的天然氣都可以享受enE-Farm套餐價格。居民電價和燃氣價格較高，加上政府和企業的政策支持，使得日本的小型發電系統有可能在大范圍內推廣。但同時，使用燃料電池系統的經濟優勢并不突出，這也是其市場增長率與政府預期相差較大的一個重要原因。
日本近期、中期和長期分布式燃料電池系統在居民和工商業發電經濟性分析
隨著市場的不斷擴大，PEMFC和SOFC系統的成本將繼續下降。中長期來看，PEMFC和SOFC系統的成本將分別降至2.3元/千瓦時和1.8元/千瓦時左右。發電的成本將接近并低于電網的成本。考慮到熱元件的價值，燃料電池系統可以在近期和中期實現更好的經濟效益。相比之下，PEMFC系統在發電方面的效率比SOFC系統低，但如果完全包括熱量，兩者的綜合效益差別不大。
雖然日本的大功率分布式燃料電池發電系統產品不多，但在工業和商業建筑領域尚未得到推廣。但如果參照美國的高性能分布式燃料電池發電系統并進行性能分析，產品成本中SOFC系統的發電成本降低到1.3元/千瓦時，低于工商業電價，考慮到大約有0.3元/千瓦時熱值，因此從長期來看，日本SOFC系統具有大規模推廣的經濟優勢。
由于沒有成熟的產品分布在中國推出燃料電池發電系統,促進分布式燃料電池熱電聯產系統的經濟在中國預計的成本和性能指標指的商業化產品在日本和美國,如圖4所示。對于小型燃料電池發電系統,當前千瓦級的每度電成本系統將在中國高達1.8元/千瓦時,并將減少到1.0元/千瓦時,0.7元/千瓦時分別在中長期,仍明顯高于終端家庭電價,而從發電收益中回收投資顯然是困難的。若包括熱值，中長期綜合發電成本可分別降至0.68元/kWh和0.51元/kWh左右，逐步接近并基本等同于終端居民電價，從經濟角度來看仍無明顯優勢。
對于大型燃料電池分布式發電系統，由于單位投資成本較低，根據國外成熟產品價格和國內工商業氣價格，SOFC發電成本約為1.3元/kWh，仍遠高于目前全國工商平均電價0.7元/千瓦時。中長期內，發電成本將分別降至0.8元/千瓦時左右和0.65元/千瓦時左右，逐步逼近并低于目前的工商業平均電價。如果能充分利用熱值，SOFC系統在中期具有經濟優勢。長期來看，在進一步考慮熱值后，大型SOFC分布式熱電聯產系統將顯示出顯著的經濟優勢，前提是工業和商業用戶的電力成本保持在當前水平。
結論和建議
(一)日本和美國分別在小規模和大規模分布式燃料電池發電技術和推廣規模上處于領先地位。根據預測,燃料電池系統的成本將大大降低,效率將會提高,大規模分布式燃料電池系統在美國和日本很快將獲得市場競爭力(約2030),和有條件在中期和長期大規模的市場推廣。考慮到它們的熱值，小型分布式燃料電池系統在日本也將逐漸具有競爭力。
(2)基于居民和工商業的國內電價水平，小型分布式燃料電池發電系統在我國將難以長期具有經濟優勢;對于大型的工業和商業分布式燃料電池系統，只有在長期，特別是在考慮熱值的長期，大型分布式CHP系統才能顯示出明顯的經濟優勢。更高的發電成本和更低的電價將是燃料電池熱電聯產系統進入中國市場的主要障礙。
(c)在“碳中和”的目標下，分布式燃料電池系統將是中國建筑領域實現碳減排的重要途徑，特別是在工業和商業領域，大型分布式燃料電池系統將逐漸顯示出經濟競爭力。目前，我國分布式燃料電池系統技術仍處于研發階段，與國際先進水平存在較大差距。因此，有必要不斷縮小與國際先進技術和行業水平的差距，大幅降低燃料電池發電系統的成本，為示范應用和大規模推廣創造條件。
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