光伏發(fā)電作為國家鼓勵發(fā)展的綠色清潔能源,近年裝機規(guī)模不斷增大,但光伏發(fā)電具有隨機性、波動性、階段性供電等問題,增加了電網(wǎng)調(diào)度難度。隨著光伏裝機規(guī)模的不斷擴大,光伏發(fā)電將面臨增加儲能問題,這就為光伏發(fā)電持續(xù)發(fā)展帶來了一定挑戰(zhàn)。
光伏發(fā)電制氫用于天然氣摻燒、燃料電池,可豐富終端用戶用能多樣性,保障能源安全,也是解決光伏發(fā)電所面臨問題的一種途徑。
光伏發(fā)電技術(shù)和制氫技術(shù)都較為成熟,光伏制氫系統(tǒng)技術(shù)研究相對較多,但還未出現(xiàn)大型工程。光伏制氫技術(shù)主要集中在光伏制氫聯(lián)合運行模式優(yōu)化與光伏制氫系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化方面,目前研究主要集中于系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化,對于整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性缺乏研究。本文重點研究光伏制氫經(jīng)濟性,并與傳統(tǒng)行業(yè)制氫成本進行對比分析,從而為光伏制氫提供發(fā)展路徑建議。
一
光伏制氫技術(shù)路線
光伏發(fā)電制氫主要利用光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)直流電直接供應(yīng)制氫站制氫用電。光伏直流發(fā)電系統(tǒng)相比傳統(tǒng)電站減少了逆變和升壓的過程,主要設(shè)備設(shè)施包括光伏組件、匯流箱、支架、基礎(chǔ)、接地裝置等,光伏組件可根據(jù)制氫站輸入電壓和電流要求進行串、并連配置,從而提高系統(tǒng)效率。電解水制氫目前技術(shù)成熟、設(shè)備簡單,運行和管理較為方便,制取氫氣純度較高,無污染,主要有3種技術(shù)路線。
堿性電解槽制氫。該種電解槽的結(jié)構(gòu)簡單,適合大規(guī)模制氫,價格較便宜,效率偏低約70%~80%,主要設(shè)備包括電源、陰陽極、橫膈膜、電解液和電解槽箱體組成,電解液通常為氫氧化鈉溶液,電解槽主要包括單極式和雙極式。
聚合物薄膜電解槽(PEM Electrolyzer)制氫。效率較堿性電解槽效率更高,主要使用了離子交換技術(shù)。電解槽主要由聚合物薄膜、陰陽兩電極組成,由于較高的質(zhì)子傳導(dǎo)性,聚合物薄膜電解槽工作電流可大大提高,從而提升電解效率。隨著質(zhì)子交換膜、電極貴金屬技術(shù)進步,聚合物薄膜電解槽制氫成本將會大大降低。
固體氧化物電解槽(Solid Oxide Electrolyzer)制氫。可在高溫下工作,部分電能可由熱能替代,效率高、成本低,固體氧化物電解槽是三種電解槽中效率最高的設(shè)備,反應(yīng)后的廢熱可與汽輪機、制冷系統(tǒng)進行聯(lián)合循環(huán)利用,提升效率,可達到90%。
電解水制氫技術(shù)路線成熟,目前未大規(guī)模推廣關(guān)鍵因素為電價問題,以目前工業(yè)用電用來制氫成本過高,市場競爭力較差。
二
光伏發(fā)電制氫經(jīng)濟性分析
1、傳統(tǒng)方式制氫成本分析
目前市場成熟制氫方式主要包括煤氣化制氫、甲醇制氫、天然氣制氫以及工業(yè)副產(chǎn)品制氫。
煤氣化制氫投資成本較高,隨著規(guī)模增大,單位投資大幅下降,同時原料便宜,按照5800大卡煙煤計算,價格為500元/噸時制氫成本僅為0.7元/Nm3(表1);
甲醇制氫投資較低,適合2500Nm3以下制氫規(guī)模,按照1Nm3氫氣消耗0.72千克甲醇,甲醇價格按2319元/噸計算,制氫成本如表2;
天然氣制氫單位投資成本低,在1000Nm3以上經(jīng)濟性較好,按照1Nm3氫氣消耗0.6Nm3天然氣,天然氣價格按1.82元/Nm3計算,制氫成本如表3。
2、光伏發(fā)電制氫成本及經(jīng)濟性分析
以1000Nm3/h水電解制氫為例,總投資約1400萬元,按照1Nm3氫氣消耗5kWh電能計算,不同電價測算制氫成本分析如表4。由此分析,光伏發(fā)電制氫電價控制在0.3元/千瓦時以下時,制氫成本才具有競爭力。按照目前市場價格進行測算,以100MW光伏發(fā)電直流系統(tǒng)造價如表5。
以一類資源區(qū)域為例,首年光伏利用小時數(shù)為1700小時計算,其他參數(shù)為:裝機容量100MW,建設(shè)期1年,資本金投資比例20%,流動資金10元/kW,借款期限10年,還本付息方式為等額本息,長期貸款利率4.90%,折舊年限20年,殘值率5%,維修費率0.5%,人員數(shù)量5,人工年平均工資7萬元,福利費及其他70%,保險費率0.23%,材料費3元/kW,其他費用10元/kW。
按照全部投資內(nèi)部收益率滿足8%反算電價,并分別分析計算造價為2.3億、2億、1.8億、1.6億元時的電價。通過計算,在滿足全部投資內(nèi)部收益率為8%時,不同造價下的電價如表6。
三
結(jié)語
光伏發(fā)電制氫在資源一類區(qū)域已具備經(jīng)濟可行性,較天然氣制氫、甲醇制氫成本較低,隨著光伏發(fā)電成本的持續(xù)下降,光伏發(fā)電制氫競爭力將進一步增強。本文未考慮氫氣運輸成本,光伏發(fā)電直供電制氫應(yīng)與需求方靠近,資源一類區(qū)域主要集中在西北區(qū)域,該區(qū)域氫氣用戶主要為煉化、化工企業(yè),用氣量較大,對制氫站規(guī)模要求較大。
光伏組件價格下降較快,隨著價格進一步降低,部分二類資源區(qū)光伏發(fā)電制氫也將具有競爭力,該類區(qū)域相對靠近負荷中心,經(jīng)濟發(fā)達,氫氣需求量較大。光伏發(fā)電制氫工藝簡單、運維難度低,制氫規(guī)??筛鶕?jù)場地和需求進行模塊化組合,隨著燃料電池技術(shù)的進步,分布式可再生能源制氫供應(yīng)燃料電池也將是未來重要發(fā)展趨勢。
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