结合生物气驱动的固体氧化物燃料电池、光伏发电与电解过程的综合能源系统的技术经济优化

　　达里奥·科隆巴里维托里奥·乌尔奇奥利安德里亚·罗塞蒂 能源系统研究——RSE S.p.A.，发电技术及材料部，能源过程与技术研究小组，地址：意大利米兰鲁巴蒂诺大街54号，邮编20134 摘要 生物气发电的推广受到高成本、利用效率有限以及调度灵活性不足的制约。为克

　　能源系统研究——RSE S.p.A.，发电技术及材料部，能源过程与技术研究小组，地址：意大利米兰鲁巴蒂诺大街54号，邮编20134

　　生物气发电的推广受到高成本、利用效率有限以及调度灵活性不足的制约。为克服这些难题，本文提出一种新型能源系统，通过整合生物气驱动的高效固体氧化物燃料电池、现场光伏发电系统、电解装置以及气体储存设施，为本地终端用户供电。通过技术经济分析确定了各组件的最佳规模和调度方案，以实现最低的电力供应成本。此外还进行了敏感性分析，研究了电价、电化学设备成本、场地可用性以及自用机制（即参与能源社区）对系统的影响。该能源系统在18个不同规模和地点的案例研究中得到了应用。最优配置下，电力自用率可达91.2%，其供应成本为137.9欧元/兆瓦时，低于传统配置的152.3欧元/兆瓦时以及零售电价的190.6欧元/兆瓦时。而且，能量储存完全可以通过生物气实现，无需生产氢气。

　　随着欧洲致力于实现可持续发展，可再生和零碳能源发电的重要性日益凸显。高效且具有成本效益的生物质利用可能是实现能源行业脱碳的关键[1]。与其他可再生能源（如风能或光伏能）不同，生物质发电可以根据需求进行调度。此外，生物质还可用于生产生物燃料，是实现难以减排领域脱碳的有效途径[2][3]。厌氧消化是一种生物燃料生产方式，其碳循环周期较短，不会直接导致全球变暖[4]。此外，生物气还可以帮助实现循环经济，因为它可由有机废物和废水转化为能源[5][6]。目前，生物气主要通过内燃机转化为电能，从而未能充分利用其能量价值[2]。另一种方法是去除二氧化碳、其他惰性气体以及污染物（如硫化氢、硫醇），将生物气升级为天然气或运输燃料的可持续替代品[7]。生物气升级能够充分利用其能量价值，有助于实现难以减排领域的脱碳[8][9]。自2006年起，许多欧洲国家为鼓励生物气发电而设立了上网电价补贴政策，以此提升可再生能源的发电量。这些扶持措施促使大量生物气发电厂建成，但这些电厂依靠持续满负荷运行的内燃机产生不可调度的电能，且热能回收效率较低[10]。Negro等人[11]的研究表明，生物气升级每兆瓦时生物气可减少151.9千克二氧化碳当量排放，而通过内燃机发电仅能减少120.2千克二氧化碳当量排放。因此，将生物气升级为生物甲烷通常被视为最有效的利用方式[9][11]。即便有相关激励政策，由于工厂建设成本高昂、基础设施不足以及技术限制，从发电向升级的转型仍然进展缓慢[12]。尤其是一些工厂因建造连接天然气管网的管道成本过高，不得不继续发电。因此，需要新的发电技术和策略，以改善那些无法转为生物甲烷生产的工厂的经济效益。电化学能量转换装置，如燃料电池，为更有效地利用生物气提供了可行路径[13]。固体氧化物燃料电池具有极高的效率，可使用氢气、合成气或其他燃料气体（如天然气或生物气）的转化产物作为燃料[14]。由于它们的电效率（55%–60%）远高于内燃机（35%–40%），因此有望提高这类工厂的发电量。多位学者提出了利用固体氧化物燃料电池改进生物能源利用的创新能源系统。Athanasiou等人[15]对生物气驱动的固体氧化物燃料电池用于热电联产的技术经济性能进行了评估，并与内燃机进行了比较。Gandiglio等人[16]研究了将固体氧化物燃料电池集成到污水处理厂中的可能性，包括对排放的二氧化碳进行利用。在后续研究中，Gandiglio等人[17]证明了在工业规模的污水处理厂中集成固体氧化物燃料电池的可行性。Tamburrano等人[18]对不同配置下的固体氧化物燃料电池性能进行了实验和数值研究。Saberi Mehr等人[19]则提出了一种更为复杂的系统设计，将光伏发电与由生物质气化产生的合成气驱动的燃料电池相结合。固体氧化物燃料电池能够很好地处理不同燃料的混合使用。这种混合燃料的使用能力使得可向天然气管网注入可再生氢气[20][21]。同样，生物气与氢气的混合也有助于设计多向量能源系统[22]。对于固体氧化物燃料电池而言，生物气质量是一个重要问题，因为硫化氢、硅氧烷以及挥发性有机化合物会导致设备过早老化[23][24]。在生物气发电厂中，利用光伏系统通过电解产生氢气具有巨大的未开发潜力[25]。人们已经对生物气发电厂中的氢气生产进行了大量研究，旨在通过部分甲烷化处理生物气中的二氧化碳，从而提高生物甲烷的产量[26][27][28]。此外，氢气也是实现可再生能源系统中长期能量储存的一种潜在策略[29]。生物气发电可以集成到分布式发电系统中，或用于先进的自用解决方案，如能源社区[30]。可编程的发电功能有助于通过弥补其他可再生能源生产过程中的高峰和低谷，从而更好地控制其供应，进而提高能源自用率[3]。Li等人[31]对以生物气为主要能源的独立多向量能源系统进行了技术经济优化。他们确定的最佳运营策略是使用生物气驱动的内燃机，以弥补太阳能发电和热能发电中的波动。目前大多数研究都集中在发电成本的分析上，忽视了终端用户的整合问题[32]。燃料电池的规模取决于所需的灵活性程度，而这又由负载的用电需求曲线决定。此外，优化过程中往往没有考虑运营调度因素，从而导致对实际盈利能力的评估出现偏差。为克服这些局限，本文提出了一种创新的能源系统架构，并对其进行了技术经济分析。该系统将高效生物气驱动的固体氧化物燃料电池与光伏发电和电解装置相结合，以满足本地终端用户的用电需求。本研究旨在通过确定最佳设计和调度方案，评估该方案的总体经济效益。与以往的研究[19][20][33]不同，本研究是从终端用户的视角来评估电力供应成本。这种系统架构在现有研究中较为新颖，其技术经济分析也为寻找更有效的生物气利用途径提供了有益参考。此外，还进行了敏感性分析、可复制性分析和可扩展性分析，以评估最优方案的稳健性，并确定最理想的部署条件。本研究还为燃料电池制造商提供了关于在基于生物气的能源系统中集成这些设备所需的规模和灵活性的相关信息。由于2008年实施的为期20年的激励政策即将结束，预计意大利大多数生物气发电厂将不再获得经济支持[34][35]。因此，本研究探讨了一种在激励政策到期后提升生物气发电厂经济性能的新方法，分析的参考年份定为2030年。

　　所提出的系统架构整合了固体氧化物燃料电池和电解装置，以便充分利用光伏发电可能产生的多余电量。由于采用了固体氧化物燃料电池，该系统的效率预计会很高。此外，由于存在电解装置和气体储存设施，该发电厂的运营灵活性也会更高。与其它研究[19][36]不同，光伏发电并非仅用于生产氢气，它还可以满足终端用户的用电需求。

　　表7列出了根据负载与生物气功率比例确定的各组件尺寸的最优值以及决策阈值。如2.13节所述，组件的尺寸同时以有量纲值和无量纲值表示。最优固体氧化物燃料电池的额定功率为平均生物气功率的60%至70%之间。由于固体氧化物燃料电池的效率约为60%，因此其尺寸略大于生物气功率对应的理想尺寸。更大的固体氧化物燃料电池有助于利用生物气生产过程中的峰值电量。

　　本文对一种集成厌氧消化器、固体氧化物燃料电池、光伏系统、电解装置、气体储存系统以及用电负载的能源系统进行了技术经济优化。优化过程确定了各组件的最佳尺寸，以及固体氧化物燃料电池和光伏发电的并网销售阈值。此外，通过敏感性分析还找到了该方案的稳定性以及最具盈利能力的应用条件。本研究共分析了18个不同场景下的情况。

　　达里奥·科隆巴里：撰写——初稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念构建。

　　维托里奥·乌尔奇奥利：撰写——初稿、验证、软件、资源、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念构建。

　　安德里亚·罗塞蒂：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金筹措、概念构建。

　　本研究是在欧盟“下一代欧洲”计划资助的国家复苏与韧性计划（PNRR）——任务2——组成部分2——投资3.5“氢气研究与开发”项目的支持下开展的，同时也属于生态转型部于2022年6月27日批准的运筹学研究计划的内容。作者们感谢Ricerca sul Sistema Energetico - RSE S.p.A.的“系统分析与情景模拟”研究小组的支持。