燃料电池用于家用热电联供系统效率超85%

2019-10-05      931 次浏览

有人将2018年定义为中国氢能发展的元年,在这一年,氢能一天比一天火热,从行业圈内默默的发展,渐渐走近大众的视野,被誉为21世纪最有前景的替代能源,各大企业也都扎堆进入氢能行业,氢能项目也火热得千金难求。


燃料电池虽然名称中有电池两字,但是其实它更像一个能源转换器,可以将一次能源直接转化为电能和热能,且设备的功率可以在一个很大的范围内波动。这种特性让其能够轻易地实现家用化,且综合能效要高于集中式地能源供应方案。


假设同样以天然气作为一次能源,通过传统的热电厂集中式和燃料电池分布式发电与供热的综合效率差距非常大。即使现代的发电厂的发电效率已经可以超过60%,且通过热电联产的综合热效率也能超过85%,但是热力的远距离运输导致用户端的一次能源热效率将低于70%。


家用热电联供系统


反观家用热电联产系统,一次能源直接在用户端进行能源生产,燃料电池解决了燃机小型化程度有限的问题而能够完美地作为家用能源站的核心设备。该系统的整体热效率高于85%,远远大于集中式生产的50%终端热效率。


这一方案构想其实已经在日本得到了实现。2009年,由日本东京燃气公司与松下集团共同研发的ENE-FARM项目正式投入大范围商业实施,目前可以说是世界上最为成功的燃料电池商业化项目。截止2015年,该项目已经累计部署了超过120000套家用燃料电池设备,证明了长期的公私合作关系可以促进新技术的商业化。这些燃料电池被安装在公寓以及普通住宅内,由公寓开发商选择安装与否,并且有其他附件应用用途可供选择。新型的燃料电池可以不依赖电网独立运行,这对多灾多难的日本极为重要。


ENE-FARM项目的成功依赖于企业、政府和工业界的通力配合。在1999年开启基础研究后,政府看中了这个模式对于能源资源匮乏的日本的巨大作用,能效的提升不仅降低了一次能源消耗,独立的能源系统也能增加系统的稳定性和安全性。为了促进这一模式的落地,日本政府首先投入大量的资金来支持关键技术的攻关,在产品出现后,首相官邸还率先安转这一设备,为这个模式站台.


在2009年产品推广前夕,日本政府同意每套燃料电池补贴140万日元或者制造成本的一半,并做出补贴多年的承诺。虽然每套设备的补贴力度下降,但是总的补贴预算不断升高。在2009年大约安装了2300套燃料电池设备,现在这个数字已经慢慢增长至超过12000套,而每套设备的补贴则降至了500000至600000日元。而从2012年开始销售量差不多翻倍。2015年ENE-FARM的补贴金额达到了222亿日元,这一轮补贴到2016年年底已经结束。


政策补贴不仅帮助这一模式的快速推广,还成功地资助了制造企业的科研和扩大生产。在这些因素的促进下,ENE-FARM价格的逐步下跌,这让ENE-FARM成功渡过了补贴退场下的艰难时期。即使在补贴停止后,2016年4月-2017年3月(2016年度),日本还新增4.2万台ENE-FARM,新增数量约与2015年度持平,累计安装台数则达19.6万台,其中又以价格较低、重新启动时间较短的PEFC(固体高分子型燃料电池)机种所占比重较高。


那么这个最成功的燃料电池商业化项目的设备究竟是怎么样的呢?其本质是一个家用小型热电联产设备。该设备利用天然气作为燃料来源,注入燃料电池中发电,再用发电时产生的热能来供应暖气和热水,整体能源效率能超过90%。系统运行过程如下图:


这其中的关键设备自然是燃料电池,目前这个项目用的燃料电池主要有这三种:


2015年,松下还推出了新款的燃料电池,其续航能力大幅提升,即便在电力供应中断后,仍能持续发电约8天(约合192小时),相比09年4月份推向市场的“ENE-FARM”,续航提升了约96小时。松下官方称使用这款设备能够减少37%的能量消耗和减少49%的二氧化碳排放。同时使用寿命还大幅提升,它的工作寿命为60000小时,比它的前辈长20%。在性能增强的同时,其售价反而从280万日元降低到了200万日元。


日本的成功实践说明,在未来的氢能社会中,燃料电池分布式能源站能够承担终端用户的能源需求。如果我们把这个模式和电解氢结合起来,一个从能源生产到消费的完整链条就出现了。想象在未来的某一天,由远处风电场发出的电力直接当地电解转化为氢气,氢气通过管道输送到一个没有任何外接电网的家庭。氢气再通过小型化的分布式燃料电池能源站为这个家庭提供电力和热力。在公寓式高层建筑集中的城市里,屋顶资源十分珍贵,可再生能源难以承担能源供应的重任,这种小型的能源站则是更好的解决方案。


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