算算經濟賬：日本火了10多年的燃料電池熱電聯供是否適合中國？

目前已經推出商業化熱電聯供產品的燃料電池類型分別有質子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。如圖2所示，PEMFC系統比SOFC型系統復雜，這主要因為PEMFC對CO的耐受性低，對燃料的純度要求非常高，這增加了系統的運行成本。PEMFC采用純氫作為燃料，工作溫度一般不超過100℃，遠低于SOFC的700℃，具有更好的啟停特性和功率密度，因此PEMFC熱電聯供系統是目前應用比較廣泛，技術較為成熟的一類燃料電池系統。

但SOFC的工作效率更高，并且無需貴金屬催化劑，燃料適用性廣，在發電的同時能產生大量的高品位熱能，所以SOFC熱電聯供系統在較大功率使用場景中，如百kW量級的醫院，非常具有發展前景。

然而，也應該指出，目前PEMFC系統基于現有天然氣供給網絡，如果在氫能高度發展的社會能夠使用純氫，那么系統結構能夠大大簡化，發電效率也能進一步顯著提升，從而降低購置成本和運行成本。

圖2 PEMFC型和SOFC型家用燃料電池對比,來源于 蒙浩,呂澤偉與韓敏芳,日本家用燃料電池熱電聯供系統商業化應用分析.中外能源, 2018.23(10):第1-8頁.

日本10年磨一劍

得益于國家的重視和良好的政策條件，日本和歐洲的燃料電池分布式熱電聯供技術得到迅速的發展。

表2 國外熱電聯供政策概況

日本是一個能源極度匱乏的國家，出于提高能效、保障能源安全、提升工業競爭優勢等考慮，日本政府高度重視氫能產業發展，立志成為“世界一個進入氫能社會"的國家。

得益于“新日光計劃"，燃料電池作為新一代發電技術進入大眾視野。隨后日本新能源產業綜合技術開發機構（NEDO）委托日本燃氣協會制作1kW樣機用于住宅用燃料電池熱電聯供系統，為燃料電池創新性運用尋找道路。該項目由松下電器、三洋電機和松下電工主持完成。隨后東京燃氣公司向200個家庭以租賃的方式提供PEMFC系統，標志著日本家用化燃料電池進入實用化階段。2008年6月，日本燃料電池實用化推進協議會（FCCJ）為提高民眾對燃料電池的名度，統一將家用燃料電池熱電聯產系統命名為“ENG-FARM"。

圖3 ENE.FARM計劃成為推動日本燃料電池熱電聯產的重要抓手

2009年，日本政府為了加速“ENE-FARM"項目計劃的發展，推出為期十年的設備購置補貼政策，該項目進入加速推廣階段。2009年補貼額度高達9.2萬元人民幣，占銷售價格的46%，每年補貼逐步退坡，2018年占銷售價格的5%，2019年全面取消。受益于補貼政策支持，技術成本逐漸下降，截止2018年底，ENE-FARM單臺設備銷售價格（無補貼）降至6.4萬元人民幣，與2009年相比降幅超過三分之二，累計安裝規模達到29.26萬臺，推廣運用取得重要進展，如圖3所示。在這個過程中，發展較好的企業有松下、東京燃氣株式會社、愛信精機、東芝和京瓷株式會社等。

圖4 日本ENE-FARM系統累計安裝數量及售價，來源于神瑞寶等,日本家用燃料電池熱電聯供系統在中國應用的經濟性分析.中國電力, 2020.53(10):第74-79頁.

ENE-FARM系統在促進節能減排、應對自然災害等方面發揮了積極作用。ENE-FARM可使每戶家庭減少碳排放1.3~1.9t/年，相當于0.5~0.7臺燃油車年排放量。同時，ENE-FARM多次在地震、臺風等自然災害導致電力供應中斷時，為居民家庭提供了低限度的電力和熱量供應，有效支撐了搶險救災和災后重建工作，因此也加深了群眾對燃料電池熱電聯供系統的認識和認可。

意大利Gigliucci建立了世界上基于質子交換膜燃料電池的熱電聯供系統。該系統的建立，旨在驗證PEMFC熱點聯供系統的可行性。對系統的測試表明，該系統符合“概念性樣機"的預期要求。因此歐洲各國在燃料電池熱電聯供領域的技術積累也非常深厚。自2012年歐洲啟動ENE-FIELD工程以來，聯合27家單位，如圖5所示，到2017年，在12個歐洲國家累計安裝1046臺家用型熱電聯供系統。該項目工程主要基于SOFC和PEMFC開發了數十款運用于歐洲普通家庭的微型熱電聯供系統，其中以SOFC為基礎的有603臺，以PEMFC為基礎的有443臺，部分裝置可實現高達60%的發電效率和95%的系統總效率。其中，發展較好的熱電聯供產家有Solidpower、喜德瑞、菲斯曼和博世等。

圖5 歐洲ENE.FIELD項目參與單位

算算經濟賬

家庭用分布式燃料電池熱電聯供系統的經濟性建模可從購置成本和運行成本兩方面進行分析。為了滿足用戶的用電和用熱需求，傳統供能方式電能依靠市電提供，熱能（主要是生活熱水）只需要購買一臺天然氣熱水器便可滿足需求，購置成本一般為1500元左右。家庭用分布式燃料電池系統可同時滿足用戶的熱電需求，購置成本為4.2萬元，其主要技術參數如表1所示。

表1 日本典型ENE-FARM技術參數

傳統用能方式的使用成本包括電費、燃料費和取暖費，家庭分布式燃料電池的使用成本理想來說只包括燃料費，可能包括燃料費和取暖費，采用電定熱的使用方式決定燃料使用量，并基于能量守恒定律作為分析基礎。經濟分析相關參數取值如表2所示。

表2 經濟分析相關參數取值

取天然氣的熱值為35590kJ/m3，以及熱水器的效率為80%。，根據家庭年生活用水量計算得到年加熱熱水所需能量：87.6*103（kg）*4.2kJ/（kg*℃）*30℃=1.104*107kJ，當采用傳統用能方式時則所需燃料387.67m3，則日本燃氣消費3333.92元，中國燃氣消費1007.93元。另外，由表2得，供暖所需總能量為3.703*107kJ，日本供暖所需費用10388.57元，中國供暖所需費用為1645.71元。當采用家庭分布式燃料電池供能時，由于采用電定熱的方式決定燃料使用量，日本家庭用戶年所用電能為3.109*107kJ，除以能量轉換效率39%，則需要能量7.972*107kJ，此時需要天然氣2239.869m3，所需燃料費用19262.87元。由表1得，熱電聯供系統生產熱能為4.62*107kJ，能夠滿足加熱生活用水和供暖的能量需求。中國家庭用戶年所用電能為1.185*107kJ，除以能量轉換效率39%，則需要能量3.039*107kJ，此時需要天然氣853.83m3，所需燃料費用7342.91元。另外，熱電聯供系統生產熱能為1.761*107kJ，能夠滿足加熱生活用水的能量需求，但不能滿足供暖需求，需補充供暖能量3.046*107kJ，即需要供暖費1353.62元。

表3列出了日本和中國兩種供能方式的年使用成本。日本由于使用家庭熱電聯供系統每年能夠節省花費8795.38元，使用5年左右該種用能方式能夠達到收支平衡，并且該系統具有10年使用壽命，故而使用該系統在10年內能夠降低花費約4萬元。然而當在中國使用該套分布式燃料電池聯供系統時，每年運行費用反倒增加了4千多元，尚不具備經濟性。

表3 兩種供能方式年使用成本比較

需要注意的是，以上計算沒有包含碳排放的成本。如果算上碳排放成本，氫燃料電池熱電聯供就更有優勢了。

總結與展望

因為我國能源消耗量、能源價格的數值和比價關系與日本存在較大差異，現階段ENE-FARM在日本已具備經濟性，在中國尚不具備不推廣條件，但可在海島、牧場等電網末端區域或自然災害如臺風頻繁發生的區域配合新能源發電一起使用，提高能源供給保障能力。

隨著燃料電池熱電聯供技術的發展，購置成本進一步降低，以及能源價格體系進一步理順，燃料電池分布式熱電聯供技術經濟性將獲得提升，有希望實現盈虧平衡，可首先在節能環保社區或特色城鎮社區進行定點實驗示范運行，獲取相關參數和工程經驗，條件成熟后推廣。

文章來源：香橙研究會  作者：牧塵

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