燃料电池微电网 ——迈向低成本、高可靠性的清洁能源之路

发布日期：2017/8/12

目前，燃料电池微电网正在北美地区盛行开来，燃料电池和微电网技术两者在正确的时间地点结合，促进了整个产业的蓬勃发展。

美国从几十年前就有开发微电网的想法。但大部分的微电网主要分布于大学校园。2012年的超级风暴桑迪使整个国家了解到大规模供电的电网的脆弱并认识到分布式能源的价值。如今，大规模的企业，机构和社区开始安装微电网系统。据美国燃料电池和氢能联合机构调查发现，燃料电池跟随着微电网行业发展的脚步，迅速的在美国的40多个州发展起来。

Navigant研究预测，未来数年内燃料电池微电网将会呈现较为强劲的增长。世界范围未来九年内燃料电池装备量将会从2016年的262MW提升到3000MW，实现10倍的增长。预计到2025年整个固定式燃料电池发电行业将会达到162亿美元的市场规模。同时该研究机构指出，技术的进一步发展是成本降低，产品性能提升以及产业规模发展的根本推动力。

与此同时，微电网产业规模将会从2015年的1.4GW增长至2024年的7.6GW。届时全球的微电网市场收入达到每年200亿美元。

固定式燃料电池和微电网技术的结合相当于身体和大脑的组合：燃料电池提供可靠地电力输出，微电网系统进行智能的调配控制。这种结合是创造可靠、具有经济性能源非常重要的途径。与传统微电网系统的多个间歇性能源系统组合相比，燃料电池能够连续提供，24小时、数周甚至是每年365天的稳定的电力输出（只要由足够的燃料供给）。然而对于太阳能、风能以及二次电源等组成的微电网系统是无法实现的。

因此，燃料电池可以作为微电网系统的主要电力来源，与社区电网一起提供可靠地电力输出。通过调配燃料电池与其他电力供应系统之间的配比关系，从而控制成本、可靠性以及环境表现等既定的目标。


燃料电池与微电网系统的结合可以实现其他微电网系统所无法实现的功能：热电联供（CHP，CombinedHeatandPower）。燃料电池在发电的同时也会产生大量热能，通过热能的综合回收利用，为社区的居民户提供生活所需热水以及供暖服务，实现热能与电能的综合利用。这样可以实现燃料能量效率95%以上的有效利用。

此外燃料电池还具有以下优点：
尺寸以及功率大小介意根据用户的需求以及安装空间进行调节。同时也可以根据用户数量和用量需求，分为单个家庭或者社区不同应用规模；
选点方便。燃料电池可以安装在室内或者室外，占地面积小；
环境友好，运行过程中不会产生有害气体以及固体颗粒物的排放；
燃料效率利用高，发电效率可以实现50%以上，热电联供可以实现95%以上的能量利用率；
运行安静平稳，输出稳定。




不足为奇的是，燃料电池微网与传统微电网具有相似的客户群体。这些群体包括那些追求高可靠性的电力供应单位，如数据中心，科研机构，医院，生产厂家，医药公司和公共安全部门。公共事业部门采用燃料电池微电网系统作为高成本的传统电网基础设施的升级替换目标，进行电力供应。
目前虽然燃料电池微电网系统在美国大范围推广开来，其中最主要的主力军是加州、康涅狄格州、纽约州。

加利福尼亚州：据FCHEA报道:目前，加州拥有480套燃料电池发电系统，总共超过210MW的发电能力。并且加州是最早提倡开发燃料电池微电网系统的地区，在公共事业部门、军事以及商业方面大量应用。
康涅狄格州：多家燃料电池企业所在地，其中FuelcellEnergy已经在该州已经安装35MW的燃料电池系统，并且目前还有20MW正在规划当中。目前一项63.3MW的燃料电池系统正在开发当中，届时将会成为世界上最大的燃料电池系统。
纽约州：纽约州拥有14MW的燃料电池系统，预计未来将会有更多的燃料电池系统投入运行。目前，纽约州打算总共投入4000万美元促进燃料电池微电网系统的发展。



商业单位以及机构单位安装燃料电池微电网系统都会出于各种各样的原因。但是其中追求低能源消耗是其中最主要的一个。

下面我们就来分析一下燃料电池微电网技术的财政优势：根据Navigant研究，随着产量的提升以及经济规模的壮大，燃料电池成本呈现逐步下降趋势。Navigant研究发现固定式燃料电池的成本下降速度明显快于风能并且与太阳能成本下降速度保持在同一水平。燃料电池微电网的低成本投入将会获得更快的成本回收周期。

较大的宏观经济走势使燃料电池产业处于更加有利的位置，尤其是处在天然气价格较低的时期。

不足为奇的是，燃料电池相对于公共电力价格具有最大成本优势的地区发挥主要作用。因此，燃料电池装主要应用于美国东北部，加利福尼亚州和夏威夷，这些地区商业电价为10-20美分/kWh，电力价格成本较低地区的2-3倍。然而，燃料电池微电网可为客户提供8-14美分/kWh的电力价格，信息来自于FuelCellEnergy。

据FuelCellEnergy称在这些地区燃料电池微电网系统可以节省20%的电力成本。例如，安装1.4MW的燃料电池相对与，客户可以节省100,000美元。


企业和机构在考虑进行大型能源设备投资时最关注的是投资的风险问题。对能源基础设施的投资意味着这部分钱是不能花在运营核心以及市场扩张的。

随着购电协议（PPA）这种措施的普及，将会有助于避免这种风险。这些无需支付定金的方式客户每月需要支付的电价与支付电网电费的价格相当或者更低。与此同时客户获得更加可靠、稳定、清洁的电力。在PPA购电模式下，燃料电池公司对电池进行维护，保证电池的正常运行。这样客户可以同时避免金钱与运营风险。


一般情况下。尽管燃料的价格会在整个合同周期（一般20年）范围内上下波动，PPA电价是基本固定的。客户需要考虑到长期价格波动，需要将系统消耗燃料的量考虑在内，一般来说长期的价格协定对于天然气这种燃料是有利的。美国能源信息预测未来到2040年，天然气的价格将会处在相对较低的状态。

公司在考虑购电协议价格时需要将未来电网电力价格波动情况考虑进去。在美国电网电力的价格是呈上升趋势的。受到地方机构以及法规的保护，公共电力价格并不能直接反应燃料的价格。此外，公共电力的价格还会受到未来公共基础设施的建设以及电力需求量等等其他因素的限制。

此外，燃料的成本大约只占到燃料电池发电成本的1/3。其他的2/3主要包括运营以及维护成本、建厂成本，这些部分对于协议电价而言都是固定不变的。这也是为什么燃料电池微电网的协议电价成本比从电网中购买电力要便宜。

EIA预测未来到2040年，电网电力价格将会逐渐上调。对于燃料电池微电网电价制定而言，需要将燃料电池对热能的利用也考虑进来。利用这部分能量，可以为客户供暖或者制冷。因此燃料电池系统提供了两种功能：电力和热能，进而实现为客户节省开支的目的。

目前各个州政府以及联邦政府对燃料电池的使用提供不同的鼓励政策。一般政府会通过不同的形式进行资助：拨款、贷款、采购等等一系列的刺激政策。目前总共有30个州将燃料电池和氢能列为其清洁能源；25个州通过设立基金、贷款等其它形式；还有16个州通过减免税收的政策来扶持燃料电池和氢能产业的发展。

康涅狄格州：康涅狄格州向燃料电池微电网项目提供资金支持，同是通过低排放可再生能源项目对其进行资助。燃料电池可获得I级可再生能源执照，电力可以通过长期的协议面向公共用电以及用电单位进行销售。
加利福尼亚州：从2001年开始，有超过400套燃料电池系统通过加利福尼亚州的SGIP项目被安装并应用。整个SGIP项目装机容量已经达到175MW。
纽约州：纽约州的能源研究与发展部门设立150,000,000美元来资助可再生能源项目，以期到2030实现可再生能源电力占整个电力系统的50%的目标。
新泽西州：新泽西州的清洁能源部门为装机量在3MW以上的燃料电池热电联供系统提供支持。


美国阿贡国家实验室发布的研究报告指出燃料电池微电网在运行过程中所释放的温室气体量远远低于美国国家电网。如果固体氧化物或者熔融碳酸盐燃料电池等高效率的燃料电池被应用到微电网中，那么其温室气体排放量与现在43%非化石可再生能源发电的加州所产生的碳排放量相当。

目前由加州河滨市运营的废水处理厂是研究燃料电池环境表现的良好范例。在这个燃料电池发电项目中，通过对废水处理产生可再生的生物气，这些生物气作为燃料电池的燃料，产生碳中性的电力供给周边电力用户。相较于其他的燃料电池对燃料成分以及纯度的严苛要求，该项目中的燃料电池可以直接采用生物气作为燃料，大大提升了效率。

河滨市位于南海岸空气质量管理区，这里拥有美国最严苛的空气质量排放标准。由于燃料电池并不像传统内燃机那样通过燃烧来转换能量，这种通过电化学反应的过程显著地提升了能量转换效率，排放量也是比内燃机低数个数量级。河滨市的1.4MW燃料电池系统的排放即使是在空气质量排放控制最为严格的地区也是符合要求的。值得一提的是，加州的SelfGenerationIncentive项目的排放标准是360kg/MW，河滨市的燃料电池微电网完全满足这一要求。

燃料电池一般包括熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池和磷酸燃料电池。大部分的燃料电池以氢气为燃料，但是像生物气这类可再生的燃料也可以被利用，同时像是丙烷这类传统燃料也是可以作为燃料电池的燃料。

同样的燃料进入内燃机会产生侏儒一氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫以及固体颗粒物等有害污染物排放，但是如果进入燃料电池通过电化学反应产生电能完全可以杜绝这些污染物的排放。虽然有些燃料电池可以产生二氧化碳，但是可以减少50%的排放量，同时燃料电池不会排放出有害气体。

一般来说，固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池的效率均在60%以上，质子交换膜燃料电池效率也在50%以上，可以有效减少温室气体的排放。即使是相对于加州和美国东北地区最先进的发电技术（传统能源），其温室气体排放也是大幅削减。同时效率越高，燃料的需求也就越低。

目前美国已经有9个州将固定式燃料电池列为I级可再生能源发电方式。


目前，我们生活的数字世界不仅使我们更多依靠电力，也增加了我们由电力电气服务中断导致的脆弱性。网络安全威胁加剧了这些担忧极端天气，最臭名昭着的是2012年的超级飓风Sandy，导致美国17个州的810万居民用电中断。

2016年加利福尼亚州的Aliso峡谷甲烷泄漏直接影响到南加州地区10GW的发电厂燃料供应问题，引起了居民的巨大担忧。

2014年气候中心的一份研究报告指出由于天气原因引起的电力中断事件，在过去的十年中实现翻倍增长。同时，2013年美国白宫报告指出2003-2012年间，由于天气原因引起的电力中断，造成的经济损失在180-330亿美元之间。

2014年康涅狄格州的一份报告指出，该州的公共事业管理机构发现网络安全对该州的公共事业具有较严重的破坏威胁。

为了应对以上这些问题，一些微电网项目在整个国家范围内被实施。例如，康涅狄格州的联合照明，德克萨斯州的Oncor，纽约州的CentralHudsonGas&Electric，密歇根州的DTEEnergy；SanDiegoGas&Electric以及南加州的Edison都在进行微电网的建设。

作为区域性的，自己自足的电网系统，燃料电池微电网从传统电网中脱离出来，实现自主运行，这意味着燃料电池微电网能够加强电网运行的可靠性，缓解电网的波动性。即使独立运行，燃料电池也能够提供更好的可靠性，直接为电路或者用电其设备供电。燃料电池微电网的应用对于提升风能太阳能等间歇性可再生能源的可靠性方面具有促进作用。

同样对于燃料电池微电网而言，其基础设施建设周期远远低于传统电网，而且复杂性远远降低。选址范围宽泛，可以在室内或者室外，占地面积小，易于操控。这意味着燃料电池微电网系统更容易被居民、社区所接受，特别是人口稠密社区。

康涅狄格州的燃料电池微电网

AmityRegional的高中新建设2.2MW燃料电池微电网项目。在为整个学校提供用电服务的同时，整个燃料电池作为学生门的大型科学实验室，向学生们展示燃料电池。同时使整个学校的电力供应系统免于自然灾害的影响。

这不仅为当地的学生提供学习教育的材料，同时也向当地的居民提供多重福利。“我们认为这个项目实现包括：为社区提供清洁电能、削减地区的财政支出和为当地的学生提供学习燃料电池相关的知识在内的三重优势”，AmityRegionalSchool的校长说。

这个高档的森林社区有超过9000多位居民，但是经常会受到临近海洋的飓风以及冰冻等自然灾害的影响而影响当地的电力等基础设施的供应。热带风暴Irene和飓风Sandy带来的洪水、水污染等就曾经影响数百万居民的生活、电力供应。

当电力中断时，燃料电池微电网就会为对当地的建筑物和社区提供电力供应。

燃料电池微电网的燃料电池部分是由该州的燃料电池制造商FuelCellEnergy提供。同时该公司还未微电网提供控制部件。

FuelcellEnergy将会跟当地的电力供应商联合照明签订合约，负责燃料电池模块的运行。采用天然气做为燃料产生电力。作为该州10MW可再生能源发电项目的一部分，该燃料电池微电网已经受到来自政府的300万美元的财政拨款。另外一项2.8MW的燃料电池微电网项目正在建设当中。

位于长岛海峡的Bridgeport大学（UB），拥有在校生超过5500人。其网上教学实力位于全美前15名。目前该私立学校在微电网项目方面表现十分活跃，具有十分高的创造性。

康涅狄格州的FuelCellEnergy公司为该学校建设了一个1.4MW的燃料电池微电网项目。然后将其打包买个了发电巨头NRGEnergy.这份交易伴随着一份电力采购协议。UB与之签订了一份长达12年的电力和热力采购协议，很有可能合同将会再延长7年。电力采购协议的税收豁免权将会吸引投资者进入。免税大学不能再获得燃料电池的免税资格，但是私人投资者是可以的，即这里的NRGEnergy。所以项目参与各方都能够从项目中获得既定的利益。

学校通过议定的价格获得清洁、可靠的电力，同时其扮演良好信誉的购买商。而项目投资者NRGEnergy可以获得持续的资金回收而不会受到天气以及时间的限制。同时，FuelCellEnergy也能够出售设备以及后期运营服务获得收益。

目前UB的电力80%来源于燃料电池微电网，来支持学校内部的设施运行，如住宿区，校园安全、餐厅以及学生活动中心的用电需求。减少了7000吨二氧化碳、64吨二氧化硫、28吨氮氧化合物以及成本减少-大约节约20%的费用。

由于燃料电池采用热电联供模式，废热被回收利用在校园的三个不同地点：游泳池、学生公寓提供热水以及供暖。Bridgeport项目收到了220万美元的州政府财政支持。

来源： 清洁技术

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