一、燃料電池分布式發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)全球發(fā)展現(xiàn)狀

分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)直接針對終端用戶，相較于傳統(tǒng)的集中式生產(chǎn)、運輸、終端消費的用能模式，分布式能源供給系統(tǒng)直接向用戶提供不同的能源品類，能夠最大程度地減少運輸消耗，并有效利用發(fā)電過程產(chǎn)生的余熱，從而提高能源利用效率。燃料電池分布式發(fā)電具有效率高、噪音低、體積小、排放低的優(yōu)勢，適用于靠近用戶的千瓦至兆瓦級的分布式發(fā)電系統(tǒng)，主要應(yīng)用領(lǐng)域為微型分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CHP)、大型分布式電站或熱電聯(lián)供系統(tǒng)。目前質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)技術(shù)，均已經(jīng)成功應(yīng)用于家用分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)和中小型分布式電站領(lǐng)域。

2019年，全球固定式燃料電池出貨量為221MW，占燃料電池總出貨量的19.6%。固定式燃料電池連續(xù)四年銷量超過五萬臺，裝機容量均在200MW以上。從出貨套數(shù)來看，主要是小型的家庭用熱電聯(lián)供設(shè)備，而大型固定式的商用分布式發(fā)電設(shè)備，則是裝機容量的主要貢獻者。

日本是全球微型分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)最大的市場。日本家用燃料電池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，項目始于2009年，該系統(tǒng)采用熱電聯(lián)產(chǎn)模式，目前系統(tǒng)綜合效率超過95%，700W功率可基本滿足一般家庭60%~90%的用電。該項目從前期研發(fā)到示范推廣，獲得了日本政府的大力支持。

如圖1所示，產(chǎn)品最初價格為303萬日元，日本政府每套補貼140萬日元或者制造成本的一半。隨著銷售量增加和技術(shù)升級，制造成本逐漸降低，補貼力度也隨之階梯式減少。截至2019年，已有約32萬戶日本家庭購買了Ene-Farm系統(tǒng)，主機價格平均降到不到100萬日元。10年售價累計降幅約70%，政府補貼也已經(jīng)下降到不超過八萬日元水平(SOFC)。日本政府原計劃到2020年累計部署140萬臺家用燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并全面取消補貼。從實際情況看，這一目標基本無法實現(xiàn)。

圖1 Ene-Farm日本銷量及價格變化

在全部安裝的機組中，PEMFC占比遠超過SOFC，主要是因為早期SOFC成本要高得多，隨著SOFC成本快速下降，其占比不斷得到提升。由于高純氫氣不易運輸、成本較高，目前，近90%的產(chǎn)品采用城市天然氣，10%采用液化石油氣作為燃料。在系統(tǒng)運行時，燃料經(jīng)內(nèi)部重整為合成氣，PEMFC還需進一步提純?yōu)楦呒儦錃猓缓筝斎肴剂想姵刂邪l(fā)電，產(chǎn)生的熱水供家庭洗澡和地暖使用。通過多年的研發(fā)投入，其技術(shù)參數(shù)得到迅速提升，松下生產(chǎn)的700W的PEM熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)累計銷量占據(jù)了日本市場的一半，并已發(fā)展到了第五代，發(fā)電系統(tǒng)效率可達39%，使用壽命也從之前的70000h提升至90000h，單套成本降低到接近80萬日元這一政府不再補貼的目標價格；而SOFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)雖然成本相對較高，目前發(fā)電效率可高達52%，壽命大于40000h。年度銷量來看，愛信精機生產(chǎn)的SOFC與松下生產(chǎn)的PEMFC系統(tǒng)并駕齊驅(qū)。

近年來，除了家用微型系統(tǒng)外，日本也開始啟動燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在商業(yè)建筑領(lǐng)域的應(yīng)用推廣步伐。2018年底，松下發(fā)布了基于PEMFC的5kW氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，電效率為57%。東芝推出了H2Rex系列系統(tǒng)，從700W—3.5kW—100kW（使用多個3.5kW模塊），用于零售店和酒店等小型商業(yè)應(yīng)用。2019年6月，日本三浦株式會社宣布，將于10月推出與英國CeresPower合作開發(fā)針對商業(yè)建筑領(lǐng)域的4.2kW熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品FC5B，其發(fā)電效率為50%，熱電聯(lián)產(chǎn)效率為90%。

與日本主要還是專注于微型系統(tǒng)不同，美國和韓國則著力于開發(fā)功率在百千瓦至兆瓦級的大型燃料電池分布式發(fā)電站系統(tǒng)。得益于創(chuàng)新機制的激勵和政策扶持，美國的大型固定燃料電池分布式發(fā)電站的應(yīng)用發(fā)展最為迅猛。BloomEnergy公司為用戶提供200kW~1MW級的分布式供電方案。系統(tǒng)初始發(fā)電效率高達53%~65%，截至2020年上半年，Bloom在全球部署運行了近500MW的發(fā)電系統(tǒng)，且在過去10年中發(fā)電量超過160億kWh，為包括蘋果、谷歌、eBay、Adobe、Intel等數(shù)據(jù)中心，沃爾瑪、宜家、梅西百貨、摩根士丹利、美國國防部等商場和辦公樓，以及AT&T、Fedex等移動基站和集散中心，提供幾百千瓦級的24h不間斷分布式電源。在2019年經(jīng)歷了企業(yè)“生死考驗”的美國FuelCellEnergy公司，主要生產(chǎn)百千瓦級的SOFC系統(tǒng)和兆瓦級的MCFC分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并在全球安裝了超過300MW的分布式電站設(shè)備。

韓國在推行大型燃料電池分布式電站的同時，主要通過收購或聯(lián)合開發(fā)從北美和歐洲獲得先進技術(shù)。2012年，LG公司收購了勞斯萊斯的燃料電池系統(tǒng)項目，建立了LGFuelCellSystems公司，致力于250kW~20MW級的SOFC分布式發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)和推廣。該公司已實現(xiàn)了以天然氣為燃料的200kW加壓SOFC系統(tǒng)示范，直流發(fā)電效率可達60%。浦項能源POSCO入股FuelCellEnergy公司后，在韓國建造了18個共170MW的商用燃料電池電站，其中單機功率最大的58MW燃料電池電站在京畿道華城安裝。斗山集團FuelCell以燃料電池技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了從發(fā)電領(lǐng)域到住宅領(lǐng)域的全套產(chǎn)品生產(chǎn)線，主要產(chǎn)品包括用于商業(yè)建筑和住宅用的600W、1kW、5kW、10kW功率的PEMFC燃料電池，以及用于工商業(yè)的400kW磷酸燃料電池(PAFC)產(chǎn)品，發(fā)電效率達42%，熱效率達52%，全球累計銷售上百套產(chǎn)品，累計發(fā)電20億kWh。

國內(nèi)關(guān)于燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用總體還處于研究階段，已有幾家機構(gòu)推出了基于各種燃料電池類型的發(fā)電系統(tǒng)。中科院大連化物所研制出的10kWPEMFC分布式發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)了天然氣重整PEMFC一體化熱電聯(lián)供。大型發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)開發(fā)尚處于探索中，總體上還停留在小型樣機的研發(fā)和示范階段，2020年10月，國家能源集團開發(fā)的國內(nèi)首套20kW級SOFC發(fā)電系統(tǒng)試車成功。

二、燃料電池分布式發(fā)電經(jīng)濟性分析

燃料電池作為分布式電站應(yīng)用領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，其市場推廣的速度與發(fā)電成本緊密相關(guān)。在不考慮政策性補貼的情況下，發(fā)電成本主要由兩部分組成，燃料成本和設(shè)備折舊成本。

表1 美國、日本和中國典型電價氣價

表1給出了中國、日本和美國典型的居民工商業(yè)電價和天然氣價。對于以大型分布式發(fā)電為主的美國，電價和氣價都比較低。按照目前大型SOFC發(fā)電系統(tǒng)30000元/kW成本、55%的效率計算，以天然氣為原料（下同），則SOFC發(fā)電的燃料成本和折舊成本分別約為0.3元/kWh和0.5元/kWh。不考慮維護的發(fā)電成本合計約為0.8元/kWh，與工商業(yè)用戶的購電成本基本持平，如果熱量能得以有效利用，還將有折算約0.1元/kWh的熱價值，如圖2所示。考慮到聯(lián)邦和部分州政府對燃料電池分布式電站可提供可再生能源配額、投資基金、稅收減免和安裝補貼（如加利福尼亞州為利用天然氣和生物制氣的燃料電池分布式發(fā)電站提供600美元/kW和1200美元/kW的補貼）等方面的政策支持，因此即使考慮維護成本，當前也已具備一定的經(jīng)濟性，部分大企業(yè)用戶開展示范應(yīng)用的積極性也較高。到了中期（2030年左右）和遠期（2040~2050年），隨著技術(shù)進步和規(guī)模擴大，SOFC系統(tǒng)成本實現(xiàn)大幅下降，假設(shè)分別降低到12000元/kW和8000元/kW，發(fā)電效率分別提高到60%和65%，在同樣的天然氣價格下，發(fā)電成本有望分別降低到約0.44元/kW和0.37元/kWh，均遠低于工商業(yè)用戶購電電價；即使考慮天然氣中長期價格在當前基礎(chǔ)上提高一倍，發(fā)電成本仍將低于0.8元/kWh，顯示出較好的經(jīng)濟性優(yōu)勢。雖然它面臨著同分布式燃氣輪機發(fā)電的競爭，后者由于設(shè)備成本更低，在經(jīng)濟性上將具備一定的優(yōu)勢；但分布式燃料電池發(fā)電站具備模塊化性能強、場景適應(yīng)性能好、可擴展性能好，無污染、噪音輕、可持續(xù)工作等優(yōu)勢，不僅可以作為主電網(wǎng)的補充，也可以作為海島、山區(qū)、邊遠地區(qū)的主供電源進行獨立發(fā)電，因此預計未來分布式SOFC系統(tǒng)有望在美國工商業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)一定規(guī)模的應(yīng)用。

圖2 美國近期、中期和長期分布式燃料電池系統(tǒng)在工商業(yè)發(fā)電經(jīng)濟性分析

日本的居民電價顯著高于工商業(yè)電價，且是中國居民電價的三倍以上，居民氣價也比中國高得多。按照當前小型PEMFC和SOFC的售價，假定其發(fā)電效率分別為39%和52%，壽命分別為9萬h和6萬h，則全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按8.7元/m3計算，不考慮維護成本，燃料部分的度電成本高達3元/kWh和2.2元/kWh。不考慮熱的價值，度電成本均至少為3.9元/kWh，如圖3所示，遠高于日本的居民電價，因此單獨考慮發(fā)電并無經(jīng)濟效益。如果對熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱部分價值進行折算，則發(fā)電成本將分別降低至2.6元/kWh和3.2元/kWh，很大程度上縮小和電網(wǎng)用電成本的差距。同時日本的燃氣公司會對購買ENE-FARM產(chǎn)品的用戶給予一定的燃氣價格優(yōu)惠，且無論燃氣是否由燃料電池使用，該戶居民使用的所有燃氣均享受ENE-FARM套餐的價格。較高的居民電價和氣價，以及政府和企業(yè)的政策支持，使得該微型發(fā)電系統(tǒng)在日本得以較大規(guī)模推廣；但是同時也看到使用燃料電池系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)勢并不突出，這也是導致其市場增速與政府預期相差較大的重要原因。

圖3 日本近期、中期和長期分布式燃料電池系統(tǒng)在居民和工商業(yè)發(fā)電經(jīng)濟性分析

隨著市場的不斷擴大，PEMFC和SOFC系統(tǒng)的成本仍將持續(xù)下降，中遠期分別在當前的基礎(chǔ)上降低約60%和80%，發(fā)電效率同時實現(xiàn)一定的提升，則SOFC系統(tǒng)的發(fā)電成本將分別低至約2.3元/kWh和1.8元/kWh，發(fā)電成本將接近并低于電網(wǎng)用電成本。考慮熱部分的價值，燃料電池系統(tǒng)在近中期內(nèi)即能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的經(jīng)濟性。相比之下，PEMFC系統(tǒng)發(fā)電的效益低于SOFC系統(tǒng)，但如果充分計入熱的價值，兩者綜合收益相差不大。

雖然考慮到日本大功率分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品較少，當前并未在工商建筑業(yè)進行重點推廣；但如果參照美國的大功率分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品的成本和性能分析，到了中期，SOFC系統(tǒng)的發(fā)電成本即降低至1.3元/kWh，低于工商業(yè)電價，考慮到還有約0.3元/kWh的熱價值，因此從中長期看，SOFC系統(tǒng)在日本具有規(guī)模化推廣的經(jīng)濟性優(yōu)勢。

對于中國市場，由于國內(nèi)目前尚沒有分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)成熟的產(chǎn)品推出，參照日本和美國已商業(yè)化產(chǎn)品的成本和性能指標，對國內(nèi)推廣分布式燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行展望，如圖4所示。對于小型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，當前千瓦級系統(tǒng)的度電成本在國內(nèi)將高達1.8元/kWh以上，中期和長期將分別降低至1.0元/kWh和0.7元/kWh，仍明顯高于終端居民電價，顯然從發(fā)電收益上難以收回投資。如若計入熱的價值，則中期和遠期的綜合發(fā)電成本最低可降低至約0.68元/kWh和0.51元/kWh，逐漸接近并與終端居民電價基本持平，從經(jīng)濟性角度仍無明顯優(yōu)勢。

對于大型燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)，由于單位投資成本更低，按照國外成熟產(chǎn)品的價格和國內(nèi)工商業(yè)天然氣價格，SOFC發(fā)電成本約為1.3元/kWh，仍要比當前全國平均工商業(yè)電價0.7元/kWh高得多。展望中長期，發(fā)電成本將分別降低至約0.8元/kWh和0.65元/kWh，逐步趨近并低于當前的工商業(yè)平均電價。如果能夠充分利用熱力價值，則SOFC系統(tǒng)在中期可呈現(xiàn)出一定的經(jīng)濟優(yōu)勢；在遠期，工商業(yè)用戶的用電成本仍保持當前水平的話，在進一步計入熱力價值后，大型SOFC分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)將展現(xiàn)出較明顯的經(jīng)濟性優(yōu)勢。

圖4 中國近期、中期和長期分布式燃料電池系統(tǒng)經(jīng)濟性展望

三、結(jié)論與建議

（一）日本和美國分別在小型和大型分布式燃料電池發(fā)電技術(shù)和推廣規(guī)模方面走在前列。基于燃料電池系統(tǒng)成本大幅下降和效率將提升的發(fā)展預測，大型分布式燃料電池系統(tǒng)在美國和日本，都能夠較快地獲得市場競爭力（2030年左右），具備在中長期進行規(guī)模化市場推廣的條件；小型分布式燃料電池系統(tǒng)在考慮熱價值后，在日本也將逐漸具備市場競爭力。

（二）基于國內(nèi)的居民和工商業(yè)電價水平，小型分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)很長時間內(nèi)將難以具備經(jīng)濟性優(yōu)勢；對于大型工商業(yè)分布式燃料電池系統(tǒng)，只有到中長期尤其是遠期，考慮熱力價值后，大型分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)才能展現(xiàn)出較明顯的經(jīng)濟性優(yōu)勢。較高的發(fā)電成本和較低的用電價格，將是中國市場推廣燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)的主要障礙。

（三）在“碳中和”的目標下，分布式燃料電池系統(tǒng)將是我國建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的一個重要方式，尤其在工商業(yè)領(lǐng)域，大型分布式燃料電池系統(tǒng)將逐漸呈現(xiàn)經(jīng)濟競爭力。當前我國分布式燃料電池系統(tǒng)技術(shù)總體還處于研發(fā)階段，與國際先進水平差距很大，需不斷縮小技術(shù)和產(chǎn)業(yè)上同國際先進水平的差距，并大幅降低燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的成本，為示范應(yīng)用和規(guī)模化推廣創(chuàng)造條件。