日本家用燃料電池熱電聯供產品經濟性的初步分析

朱信 劉可

申能（集團）有限公司

0 引言

2009年，中央政府支持氫能產業的發展方向逐漸明確。我國2019年的《政府工作報告》提出推動加氫站等設施建設；3月26日，財政部等四部委印發了《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，在其他新能源車型補貼大幅下調時，對燃料電池汽車補貼力度保持不變；3月底，李克強總理在2019海南博鰲亞洲論壇上表示，中國將加快發展氫能源等新興產業；4月，國家發改委發布《產業結構調整指導目錄2019征求意見稿》提出“鼓勵高效制氫、運氫及高密度儲氫技術開發應用及設備制造”[1-4]。

國內主要能源企業加速布局氫能產業。2018年底，國家能源集團發起并牽頭成立了中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟，國家電網等十幾家央企參與其中。2019年兩會期間，中核集團與清華大學、寶武集團等國內相關單位聯合開展了核能制氫與氫能冶金結合的前期合作。在2019年進博會期間，中石化和法國液化空氣集團簽署合作備忘錄，雙方將加強在氫能領域的合作[5]。

除氫燃料電池汽車外，發達國家和地區還在推廣燃料電池固定式應用。美國Bloom Energy生產固體氧化物燃料電池（SOFC）發電系統主要用于數據中心和辦公樓宇等商業用戶，2017年銷售量達到62 MW。日本通產省制定并推動了ENE-FARM計劃，由松下、東芝、愛信精機等生產商負責開發700 W～750 W家用燃料電池熱電聯供（CHP）系統。從2009年至今，共銷售30萬套產品。韓國可再生能源組合標準（RPS）要求，到2023年所有擁有500 MW以上發電容量的國有和獨立電力生產商需將可再生能源和綠色技術的發電份額增至10%。截至2018年，韓國已經部署了近300 MW燃料電池電站，技術路線包括SOFC、PEMFC和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）[6]。

本文分析日本家用燃料電池熱電聯供產品的基本經濟性情況和在國內尤其是在上海商業化使用的前景。

1 日本“ENE-FARM”項目

1.1 技術特點

“ENE-FARM”譯為能源農場，該“農場”的原料是天然氣，“產品”是電和熱，設備利用天然氣重整產生氫氣，作為PEMFC的燃料，發電效率可達39%，熱利用效率為56%，能源綜合利用率達到95%，壽命為90 000 h以上，不需要特殊維護，在日本屬于家用電器。

1.2 項目概況

“ENE-FARM”計劃由政府主導推動，燃氣公司、制造企業、地產商和金融企業共同執行，是日本氫能社會戰略的重要組成部分。自2009年，由松下、東芝、愛信等廠商研發生產，由東京燃氣和大阪燃氣等燃氣公司向用戶銷售家用燃料電池熱電聯供產品。

如圖1所示，十年來各品牌產品累計銷售300 000套，政府每套補貼由最初的8.9萬元逐年下降，直至2019年取消，產品壽命達10年。利用城市燃氣重整產生氫氣進行熱電聯供，具備災備電源功能，在居民家中斷電的情況下可供電8天。根據日本松下公司的測算，安裝ENE-FARM設備后，家庭平均每年可節約3 600元左右電費和燃氣費，產品售價在100萬日元（約人民幣6.4萬元）以內時，居民購買該產品具有經濟性。

圖1 日本ENE-FARM銷售量和補貼情況（日元匯率按15.63計算）

2 ENE-FARM產品在東京的經濟性

2.1 東京氣價與電價

東京民用天然氣價格見表1。例如：一戶家庭某月使用100 m3天然氣，則該月燃氣費計算公式為76.15+100×7.93=869.15（元）。

東京民用電力價格見表2。每月電費由基礎費+電量費+合同費構成。例如，一戶家庭安裝50 A限流器，某月使用200 kWh電，則電費計算公式為88.38+200×1.64+14.58=430.96（元）。

表1 東京民用燃氣價格表

表2 東京民用電力價格表

2.2 安裝ENE-FARM產品前后燃氣價格變化

東京燃氣公司針對購買ENE-FARM產品的用戶推出專項套餐，套餐費如表3所示。如表4、圖2所示，普通居民和ENE-FARM用戶的燃氣價格均呈現用量越大、單價越低的特點，其中，月燃氣用量大于30 m3時，ENE-FARM用戶每立方燃氣價格更低。

表3 東京ENE-FARM用戶燃氣價格表

表4 東京居民加入ENE-FARM計劃前后每標立方燃氣費

圖2 東京居民加入ENE-FARM計劃前后燃氣價格

2.3 居民使用ENE-FARM產品的經濟性

ENE-FARM用戶每月需承擔設備折舊費和燃氣費，產生電和熱。假設普通居民需要分別購買電和燃氣。據計算，月均燃氣使用量超過77 m3左右的家庭安裝ENE-FARM產品有經濟性，燃氣用量越大，經濟效果越明顯，如表5和圖3所示。

表5 東京居民安裝ENE-FARM設備的經濟性測算

圖3 東京居民安裝ENE-FARM產品的經濟性

具有經濟性的原因包括：（1）燃氣與電力存在一定價差。即如果把熱電聯供的燃氣費用全部計入發電成本，則度電燃氣費和單獨購電的費用相當，余熱價值相當于收益。在用氣量較大時，余熱的價值高于設備折舊成本，具備經濟性。（2）存在燃氣優惠價格。購買ENE-FARM產品后，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。因此，有冬季采暖需求的家庭，可以另外安裝燃氣爐，或者購買裝備外置燃氣爐的ENE-FARM產品，燃氣消耗量大時更具經濟性。

3 上海地區使用ENE-FARM產品的經濟性

3.1 上海氣價、電價情況

上海居民階梯燃氣價格和電力價格如表6、表7所示。

表6 上海居民用戶階梯氣價

表7 上海居民用戶階梯電價

3.2 上海與東京單位熱值的氣價、電價對比

假設上海、東京每戶居民一年用氣550 m3、用電4 000 kWh，燃氣熱值36 MJ/m3，東京居民安裝30 A限流器，燃氣用量按月平均，上海居民用電峰谷電各占一半。

如表8、表9所示，上海居民單位熱值燃氣和電力的價格比約為0.68，東京為0.43。

3.3 在上海推廣家用燃料電池CHP系統的經濟性

如表10所示，即使計算熱利用的價值，將燃氣費由發電和熱利用分攤，度電成本依然高于電價。

表8 上海民用單位熱值電價與氣價關系

表9 東京民用單位熱值電價與氣價關系

4 敏感性分析

4.1 設備價格

計算熱利用價值時，PEMFC價格每下降10%，度電成本下降7.14%。見圖4。

4.2 燃氣價格

燃氣價格每變化10%，度電成本同向變化2.86%。見圖5。

圖5 燃氣價格對度電成本的影響

綜合考慮設備價格下降以及燃氣價格變化時，熱電聯供的度電成本如表11所示。居民第一階梯峰電電價為0.617元/kWh，第二階梯峰電電價為0.677元/kWh，第三階梯峰電電價為0.977元/kWh。如果設備價格大幅度下降，則即使燃氣價格不變，度電成本較居民電價也會出現一定競爭力。

5 結論及啟示

我國目前在燃料電池相關技術與國外還存在差距，用于供能領域的產品多處于研發階段，尚未實現標準化、系列化，產量較小、價格較高。受資源稟賦、體制等因素影響，我國民用氣價、電價不僅低于工商業，甚至低于實際成本。隨著整個產業的快速發展，技術持續進步，產品成本預計會出現大幅度下降，在某些特定區域或特定場景將率先出現市場需求。