現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)新能源高溫固體氧化物燃料電池發(fā)展展望

蔣三平 程一兵 陳錦芳 程興國

摘 要： 高溫固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cells，SOFC）是前沿的清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一，也是可為設(shè)施農(nóng)業(yè)能源同時提供所需的熱、電和二氧化碳氣肥理想的能源裝置。從現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗和SOFC 熱電聯(lián)供特征方面，系統(tǒng)闡明了SOFC 能源系統(tǒng)和設(shè)施農(nóng)業(yè)耦合的可行性及廣泛的應(yīng)用前景。性能穩(wěn)定、低成本的SOFC 系統(tǒng)可以從根本上解決我國農(nóng)業(yè)大棚的能耗高、熱效率低、環(huán)境污染等嚴(yán)重問題，同時為SOFC 產(chǎn)業(yè)提供巨大的市場。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；溫室技術(shù)；高能耗；固體氧化物燃料電池；熱電聯(lián)供

中圖分類號：S21文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0046-08

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.008

0 引言

我國耕地面積1.28 億hm2，人均耕地面積不到世界平均水平的40%。耕地是農(nóng)業(yè)的根基，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)和園區(qū)農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。農(nóng)業(yè)大棚數(shù)量龐大，我國已經(jīng)成為世界設(shè)施農(nóng)業(yè)大國[1]。我國農(nóng)業(yè)大棚類型可大致分為傳統(tǒng)燃煤大棚、智能溫室大棚和光伏大棚，農(nóng)業(yè)大棚的升溫方式主要包括明火升溫、熱風(fēng)爐加溫、電熱線升溫、生態(tài)保溫、水暖加溫和熱水袋加溫等方式，其中前3種方式耗能較高，后3 種方式升溫效果不明顯。在所有升溫方式中，采用日光保溫和燃煤明火升溫的農(nóng)業(yè)大棚約占全部的80%。在有天然氣供給的地方，天然氣亦用于溫室冬季的加溫，但天然氣的供給和價格受國際市場波動的影響較大。 而且隨著化石原料的枯竭、大氣污染（酸雨、霧霾等）的加劇，以及全球氣候變暖對二氧化碳等溫室氣體的限排規(guī)定執(zhí)行，傳統(tǒng)的煤炭和石油資源越來越不滿足當(dāng)今環(huán)保節(jié)約型社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。近年來，可再生能源（如太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能）在一些節(jié)能示范工程中已取代了傳統(tǒng)的化石能源作為溫室的新型加溫?zé)嵩矗渫顿Y成本大、運行費用高、供暖可靠性差的特點限制了其廣泛應(yīng)用[2]。我國農(nóng)業(yè)大棚的供能方式普遍存在成本高、熱效率低、污染環(huán)境嚴(yán)重等問題。

溫室加熱技術(shù)能夠有效調(diào)控室內(nèi)溫度和濕度，對農(nóng)作物品質(zhì)、產(chǎn)量及培育周期具有重要影響，在我國得到大力發(fā)展。但溫室屬于一種高能耗的抗逆性生產(chǎn)設(shè)施，其能源消耗不容忽視。在我國西部和北方，全年一半以上時間需要對大棚溫室制熱和保溫；制冷需求主要在夏季。一般溫室的加溫能耗占溫室生產(chǎn)成本的30%～40%，高緯度地區(qū)的連棟溫室能耗甚至占溫室成本的50%～60%[3]。以楊凌示范區(qū)旱區(qū)特色設(shè)施農(nóng)業(yè)科技示范區(qū)項目連棟溫棚為例，4.1 萬m2 的用電總負荷設(shè)計2 526 kW、熱負荷設(shè)計6 900 kW、熱負荷指標(biāo)0.168 kW/m2、冷負荷設(shè)計12 700 kW 及冷負荷指標(biāo)0.308 kW/m2。高能耗費用是制約溫室、現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)推廣和發(fā)展的瓶頸和一個關(guān)鍵因素。在植物生長中二氧化碳是必需的氣肥，設(shè)施蔬菜在密閉條件下二氧化碳不足，直接導(dǎo)致蔬菜質(zhì)量和產(chǎn)量下降。姚益平等[4]研究表明，增施二氧化碳能夠大幅提高黃瓜產(chǎn)量，降低黃瓜單位產(chǎn)量能耗，是增加溫室作物產(chǎn)量和提高能耗利用率的有效手段。因此，人工補充二氧化碳是實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。3 種主要類型的農(nóng)業(yè)大棚都無法通過單一設(shè)備同時滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)能源所需的供熱、供電（制冷、水控、光控等）和供二氧化碳氣肥的需求。

溫室育種在種子領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。根據(jù)《2019 年中國種業(yè)發(fā)展報告》，2018 年全國進口農(nóng)作物種子7 200 余萬kg，進口額4.75 億美元。其中蔬菜種子進口額2.28 億美元。種子是糧食安全的關(guān)鍵，加速培育國產(chǎn)種子，實現(xiàn)進口替代是當(dāng)務(wù)之急。加代育種溫室對于種業(yè)快速發(fā)展至關(guān)重要。如溫室小麥加代技術(shù)，就是用溫室培育小麥縮短育種周期的常用小麥育種方法。在北方氣候條件下，大田一年只能種一季冬小麥，而育成一個小麥品種需要8～10 年，通過溫室小麥加代技術(shù)可以縮短小麥育種進程3～5 年。目前，其主要解決的痛點是能耗問題。尤其是在夏季室外溫度達到35 °C 以上，僅憑單一的自然通風(fēng)方式已經(jīng)不能滿足設(shè)施種植和養(yǎng)殖的需要。標(biāo)準(zhǔn)的種苗連棟智能溫室普遍配置濕簾風(fēng)機，高端加代育種溫室使用空氣能熱泵、地源熱泵等降溫系統(tǒng)，可在一定程度內(nèi)將溫度有效控制在適宜范圍。

設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)過一系列的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后可產(chǎn)出秸稈、牲畜糞便等農(nóng)業(yè)生物質(zhì)，其中一部分可回歸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，增強土壤質(zhì)量，而多余部分是必須經(jīng)過裂解等方式進行處理。我國也是畜禽養(yǎng)殖大國，2015 年大牲畜養(yǎng)殖量數(shù)12 195.74 萬頭， 2020 年畜禽的糞便產(chǎn)生量約42.44 億t[5]。氨氣是牲畜糞便沼氣池處理主要污染氣體之一，畜禽糞便污染已居農(nóng)業(yè)源污染之首[6-7]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的發(fā)展，高污染、高能耗的用能模式已經(jīng)很難滿足經(jīng)濟社會的發(fā)展要求。在碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)和新能源的時代背景下，急需實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與新能源的協(xié)同高效可持續(xù)發(fā)展，逐步實現(xiàn)新能源與農(nóng)業(yè)的深層次耦合優(yōu)化，提高能源的利用率，以及糧食、蔬菜的產(chǎn)量與質(zhì)量，提高種質(zhì)資源的安全性和解決種子卡脖子的問題，減少消耗化石能源所帶來的環(huán)境污染問題，對維持糧食安全、能源安全和環(huán)境安全具有重要意義。因此，迫切需要找到一種能夠提供電、熱和二氧化碳氣肥以滿足現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)能源需求的環(huán)境友好、成本低，還可以利用農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生的沼氣和生物燃料的全新能源系統(tǒng)。

1 固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cells，SOFC）是全固態(tài)陶瓷結(jié)構(gòu)的將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。SOFC 突出的優(yōu)點：一是不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率顯著高于內(nèi)燃機，發(fā)電過程產(chǎn)生的高質(zhì)量余熱使熱電聯(lián)供（CHP）效率高達75%～80 %；二是全固態(tài)結(jié)構(gòu)，不存在電解液的腐蝕和滲漏問題；三是運行溫度為高溫（600～900 °C），電極反應(yīng)動力學(xué)快，無須使用貴金屬催化劑；四是燃料適用性廣，可以使用氫氣、天然氣、煤氣、生物質(zhì)裂解氣和沼氣等作為燃料。SOFC 由燃料電極、電解質(zhì)和空氣電極組成，典型的SOFC 包括致密的氧化釔、穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）電解質(zhì)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鍶摻雜的多孔錳酸鑭（LSM）或鍶摻雜的鈷鐵酸鑭（LSCF）陰極，以及多孔氧化鎳的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（Ni-YSZ）金屬陶瓷陽極，如圖1 所示。電解質(zhì)需要足夠致密以避免燃料與空氣直接接觸。電極的多孔結(jié)構(gòu)有助于將燃料和氧化劑及時傳輸?shù)椒磻?yīng)位點，并及時轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)物。

以常見的氫氣為燃料的燃料電池為例說明SOFC中的電極反應(yīng)。陰極以空氣中的氧氣為氧化劑，氧分子（O2）獲得電子后被電離為氧離子，氧離子隨后占據(jù)電解質(zhì)中的氧空位變成晶格氧。氧離子通過氧空位穿過致密的YSZ 電解質(zhì)到達陽極，與陽極上的氫分子（H2）發(fā)生反應(yīng)生成H2O，同時向外電路釋放兩個電子。因此，整個反應(yīng)是來自陰極的氧通過電解質(zhì)上的氧空位進行遷移，在陽極側(cè)與氫結(jié)合形成水。同時，電子經(jīng)由外電路從陽極（負極）流向陰極（正極）做電功，產(chǎn)生功率輸出。因此，SOFC 中的總反應(yīng)可以表述為[8]

反應(yīng)中的正向箭頭表示SOFC 的放電模式。高溫SOFC 是完全可以可逆運行的，SOFC 的可逆運行是固體氧化物電解池，通過電解水蒸氣/二氧化碳獲得氫氣、一氧化碳或合成氣（氫氣和一氧化碳的混合氣），可將太陽能、風(fēng)能等可再生能源存儲于燃料中，電解所需的能量可由熱能提供，降低了電能的需求，因此電解的電效率高達90%，相比低溫水電解具有熱力學(xué)和動力學(xué)上的雙重優(yōu)勢[9]。

由于SOFC 的高效率、燃料選擇靈活性和模塊性（即電效率不受系統(tǒng)功率輸出大小的影響），SOFC 特別適用于固定和分布式電源分布式發(fā)電，應(yīng)用于家庭、數(shù)據(jù)中心和園區(qū)分布式發(fā)電，以及城市廚房垃圾沼氣發(fā)電系統(tǒng)等，如圖2 所示。盡管SOFC 具有高效率和顯著減少溫室氣體排放的優(yōu)點，但SOFC 在此類應(yīng)用中產(chǎn)生的分布式發(fā)電是與電網(wǎng)的電競爭，在價格、設(shè)備成本和長期運行穩(wěn)定性方面還沒有表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，而且在分布式發(fā)電方面，SOFC 系統(tǒng)并不是唯一的，還有其他選擇也可以提供穩(wěn)定的分布式發(fā)電，如低溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池、柴油機動力系統(tǒng)等。

2 SOFC 能源系統(tǒng)與現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)深度耦合

SOFC 是一種在高溫（600～900 °C）下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置，其具有超低的污染物排放和高的熱力學(xué)效率，是幾種燃料電池中，理論能量密度最高的一種。以氫氣、天然氣為燃料時，發(fā)電效率可達 50%～65%，熱效率可達20%，熱電聯(lián)供效率可達 70%～80%，以天然氣、沼氣為燃料時，其產(chǎn)生的二氧化碳可作為植物光合作用生長的氣肥。SOFC 是當(dāng)今前沿的清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一，也是可為設(shè)施農(nóng)業(yè)能源同時提供所需的熱、電聯(lián)供和二氧化碳氣肥理想的能源裝置。

設(shè)施農(nóng)業(yè)在生物質(zhì)能原料生產(chǎn)方面具有獨特優(yōu)勢，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后產(chǎn)生的秸稈、廢棄物、牲畜糞便等生物質(zhì)可轉(zhuǎn)成裂解氣、沼氣。沼氣的主要成分有50%～80%甲烷（CH4）、20%～40% 二氧化碳（CO2）、0～5%氮氣（N2）、<1% 氫氣（H2）、<0.4% 氧氣（O2）、0.1%～3% 硫化氫（H2S），牲畜糞便的沼氣池含氨，含量500～600 mg/L。農(nóng)林廢棄物裂解氣的主要成分有35% 氫氣（H2）、31% 一氧化碳（CO）、16% 二氧化碳（CO2）、12% 甲烷（CH4）、2% 氮氣（N2），不含氧氣（O2）和硫化氫（H2S）。SOFC 的高溫特性使其可以直接使用農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生的沼氣和裂解氣作為燃料，供給農(nóng)業(yè)大棚所需的電、熱和二氧化碳氣肥，而多余的電可用于農(nóng)業(yè)操作的生活用電。高溫裂解氣和沼氣生產(chǎn)都有相當(dāng)成熟的技術(shù)和工藝，可以減少天然氣的用量，同時極大地減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)所帶來的農(nóng)業(yè)源污染問題，進一步降低現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的能耗和成本，如圖3 所示。

SOFC 能源系統(tǒng)與現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的跨界融合實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)和新能源雙主業(yè)驅(qū)動，是一種有效解決現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)（溫室、連棟溫室）高能耗、高成本、熱效率低和污染環(huán)境嚴(yán)重等問題的途徑。SOFC 能源系統(tǒng)引入使得設(shè)施農(nóng)業(yè)具有“源”和“荷”的雙重角色。通過能量和物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，設(shè)施農(nóng)業(yè)和SOFC 能源系統(tǒng)具有很強的產(chǎn)消互補性。一是SOFC 能源系統(tǒng)向設(shè)施農(nóng)業(yè)輸入電、熱、氣不同形式的能源，設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)過一系列的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后可產(chǎn)出秸稈、牲畜糞便等農(nóng)業(yè)生物質(zhì)。二是農(nóng)業(yè)生物質(zhì)可通過高溫裂解和沼氣發(fā)酵罐等設(shè)備所產(chǎn)生的可燃氣體作為SOFC 能源系統(tǒng)所需的燃料，產(chǎn)出的熱、電、氣又可維持設(shè)施農(nóng)業(yè)的運行。如此循環(huán)，體現(xiàn)出設(shè)施農(nóng)業(yè)和SOFC 能源系統(tǒng)的產(chǎn)消互補性，實現(xiàn)傳統(tǒng)單向的能量流動模式轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰扛咝Ю玫难h(huán)流動模式。三是設(shè)施農(nóng)業(yè)可為SOFC 能源系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備提供安裝空間，能源系統(tǒng)反過來又可以為設(shè)施農(nóng)業(yè)提供運行動力，設(shè)施農(nóng)業(yè)和SOFC 能源系統(tǒng)產(chǎn)消互補示意如圖4 所示。

通過能量和物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，設(shè)施農(nóng)業(yè)和SOFC能源系統(tǒng)具有很強的產(chǎn)消互補性，設(shè)施農(nóng)業(yè)和能源系統(tǒng)的產(chǎn)消互補打破了現(xiàn)有能源和農(nóng)業(yè)行業(yè)的壁壘，促進了能源流與物質(zhì)流之間的循環(huán)流動，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)單向的能量流動模式轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰扛咝Ю玫目沙掷m(xù)循環(huán)流動模式。SOFC 能源系統(tǒng)亦可以分布式可再生能源形式接入園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)，通過新能源和農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的有效協(xié)同，推動農(nóng)業(yè)能源生產(chǎn)消費革命、可再生能源在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，加強設(shè)施農(nóng)業(yè)?可再生能源資源優(yōu)化，對保障以能源安全和糧食安全為基礎(chǔ)的國家總體安全具有重要意義[10]。

從制造平臺來講，SOFC 可分為單電池、電堆和系統(tǒng)3 個部分[11]。對于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)，SOFC 最基本要求是性能穩(wěn)定、可靠及制造成本低，其可以從根本上解決我國農(nóng)業(yè)大棚的高能耗成本、低熱效率和環(huán)境污染等問題，同時為SOFC 產(chǎn)業(yè)提供一個巨大的市場。一些發(fā)達國家的SOFC 技術(shù)比較成熟，處于商業(yè)化推廣前期，其中美國和日本分別發(fā)展了100 kW 級大型固定式電站和1 kW 級家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)，均實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化運行。其中的領(lǐng)軍企業(yè)包括美國BloomEnergy 公司（常壓平板式）和日本三菱重工（加壓管式）等。

較之于國外，我國SOFC 還處于實驗室研究與樣機研制階段，差距較大，尚未形成商業(yè)化的SOFC 模式，企業(yè)參與度不夠，并且SOFC 的產(chǎn)業(yè)鏈不完整。因此，急需一些企業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的投入和研發(fā)，提供完善的定制服務(wù)， 制定標(biāo)準(zhǔn)化流程， 帶動國內(nèi)SOFC 行業(yè)和現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3 SOFC 能源系統(tǒng)和設(shè)施農(nóng)業(yè)耦合可行性

3.1 連棟溫棚用能可行性分析

以楊凌某智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園為例。其是占地5 萬m2單體智能連棟溫室，主要以優(yōu)質(zhì)番茄的新品種引進、示范及規(guī)模化生產(chǎn)為核心業(yè)務(wù)，年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)番茄2 500 t，產(chǎn)值5 000 萬元。這座智能連棟溫室35% 的生產(chǎn)設(shè)備從荷蘭、西班牙等國家引進。溫室最突出的特點是智能化管控，室內(nèi)的頂部天窗、簾幕、高壓彌霧、環(huán)控和水肥13 個設(shè)備都采用歐洲進口智能設(shè)備系統(tǒng)。其能源系統(tǒng)包括鍋爐（已建）、補光鈉燈系統(tǒng)（規(guī)劃建設(shè)中）。

鍋爐設(shè)計規(guī)模為2 臺5 600 kW 天燃氣真空熱水鍋爐， 額定工作壓力1.0 MPa， 額定出水/回水溫度95 °C/70 °C， 鍋爐配置循環(huán)泵6 臺。鍋爐每年運行180 d，為10 月15 日—次年4 月15 日。24 h/d 運行，其中 8 h 高負荷 （ 80% 負荷） 運行， 16 h 低負荷（50% 負荷） 運行。鍋爐及配套運行用電量20 萬kW·h/年。補光鈉燈系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模為60 W/m2，總電負荷約3 500 kW。規(guī)劃制冷配置溴化鋰空調(diào)、空氣源熱泵、濕簾風(fēng)機等設(shè)備實現(xiàn)每年7 月15 日—10 月15日的連續(xù)生產(chǎn)所需的冷負荷。同時新建與之配套的電氣工程、給排水工程、控制工程和供碳設(shè)施等。項目根據(jù)JB/T 10297—2014《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，計算溫室大棚所需的熱負荷，溫室熱負荷 QR 計算如下

式中 QR——總熱損失， W

Q1——溫室圍護結(jié)構(gòu) （包括墻體、透光屋面、不透光后坡、門窗等） 的傳熱損失， W

Q2——滲透熱損失（室內(nèi)外空氣交換造成的熱損失） ， W

Q3——地面熱損失（溫室地面散熱造成的熱損失）， W

uj——第j 種圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

Aj——第j 種圍護結(jié)構(gòu)比表面積，m2

n1——圍護結(jié)構(gòu)種數(shù)

t內(nèi)——室內(nèi)設(shè)計溫度，℃

t外——室外設(shè)計溫度，℃

V——溫室空氣體積，m3

k風(fēng)速——風(fēng)速因子

N——每小時換氣次數(shù)

ui——第i 區(qū)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）

Ai——第i 區(qū)溫室面積，m2

n2——計算點距外圍護結(jié)構(gòu)距離分區(qū)，取3根據(jù)JB/T 10 297—2014《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，室內(nèi)設(shè)計溫度 t內(nèi)取 12 °C ，室外設(shè)計溫度 t外 取?8 °C ，大棚（長×寬×高）為 310 m×170 m×8 m ，大棚圍護結(jié)構(gòu)為雙層玻璃，傳熱系數(shù)按照規(guī)范所列進行選取，圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)u 取4.0 W/（m2 ·K） ，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值如表1 所示。

根據(jù)式（2）～式 （4）計算得：Q1=4 700 kW ，Q2=4 200 kW，Q3=120 kW， 因此，QR=9 020 kW。考慮到供熱設(shè)備的經(jīng)濟負荷范圍，一般都在鍋爐額定負荷的75%～90%，按照 80% 取值，供熱總負荷 11 200 kW 。根據(jù)實踐經(jīng)驗，關(guān)中地區(qū)的連棟溫室冷負荷為熱負荷的1.8 倍，溫室供冷總負荷20 200 kW。

目前，真空熱水鍋爐采用天然氣供能，根據(jù)鍋爐的運行時間和運行負荷計算天然氣最大耗氣量約319萬m3/年，1.77 萬m3/d。鑒于國內(nèi)天然氣價格不斷攀升，同時冬季生產(chǎn)用天然氣和民用天然氣供應(yīng)沖突，天然氣持續(xù)穩(wěn)定供給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨巨大挑戰(zhàn)。溫室的冷、熱、電負荷和碳需求如表2 所示。

園區(qū)計劃采用有機固廢裂解氣和SOFC 等先進技術(shù)，解決生產(chǎn)所需的冷、熱、電和碳，降低生產(chǎn)成本。假定SOFC 的能量轉(zhuǎn)化效率80% 以上（直接發(fā)電效率60%，熱電聯(lián)產(chǎn)綜合能量效率80%），壽命40 000 h。項目采用有機固廢裂解+SOFC 滿足冷、熱、電和碳的供給，按照電負荷+冷負荷配置能力。項目主要考慮3個方面。一是按照最大負荷配置，不需要外部能源即可滿足需要，從而節(jié)約運行成本。二是無論制冷還是供熱，電的效率最高。因此當(dāng)余熱不能滿足供熱的需求時，用電驅(qū)動空氣能熱泵滿足供熱；供冷利用溴化鋰空調(diào)實現(xiàn)，不足部分用電驅(qū)動空氣能熱泵制冷滿足。三是非供熱、供冷時段的余熱可回收發(fā)電。因量不大，余熱回收發(fā)電收入在計算盈虧平衡時忽略不計。

有機固廢裂解工藝采用高溫裂解工藝，涉及垃圾分揀、脫水、破碎、裂解制氣、冷卻、過濾、副產(chǎn)物制碳棒、燃料氣發(fā)電。其上下游生產(chǎn)裝置關(guān)系如圖5所示。

有機固廢分選、破碎后通過膠帶輸送至裂解爐的主反應(yīng)爐（高溫裂解爐）。原料在完全密閉、1 250 °C高溫、負壓條件下裂解，釋放出H2、CO、CO2、CH4、N2 及碳2 烴類等氣體，形成高氫可燃混合氣體。每噸有機固廢裂解生產(chǎn)1 000 m3 高氫可燃混合氣體。氣體組分如表3 所示。

基于以上條件，評估了滿足5 萬m2 連棟溫室的最大用能配置為冷負荷與電負荷之和，因此需要配置SOFC 發(fā)電設(shè)備23 700 kW。用冷、熱、電和碳5 年的綜合收益，計算出保證盈虧平衡條件下，該場景可以承受的SOFC 設(shè)備的樂觀采購價格和保守采購價格。模型一，SOFC 設(shè)備樂觀采購價格。

由表4 可知，樂觀估計采用有機固廢裂解+SOFC為5 萬m2 連棟溫室供應(yīng)冷、熱、電、碳，5 年總收入6.5 億元。2022 年綠電交易價格平均0.5 元/（kW·h），5 年售電收入4.7 億元，占總收入的72%。同時，模型考慮了捕集二氧化碳凈收入0.15 元/kg、碳匯收入50元/t、固廢處理凈收入50 元/t。該模型下SOFC 的盈虧平衡采購價格27 391 元/kW，即運營5 萬m2 的連棟溫室，能夠承擔(dān)2.7 萬元/kW 的SOFC 設(shè)備投入，同時保證其番茄種植的正常利潤。

模型二，SOFC 設(shè)備保守價格。

由表5 可知，保守估計采用有機固廢裂解+SOFC為5 萬m2 連棟溫室供應(yīng)冷熱電碳，5 年總收入4.3 億元。2022 年標(biāo)桿電價平均0.39 元/（kW·h），5 年累計售電收入3.7 億元，占總收入的85%。模型未考慮碳匯收入、固廢處理凈收入。

主要原因是CCER 尚未啟動，碳匯無法變現(xiàn)；有機固廢和農(nóng)林廢棄物收集費用會逐年增加。捕集二氧化碳凈收入按照0.05 元/kg 凈收入計算，主要考慮隨著雙碳政策的實施，農(nóng)用二氧化碳的價格會越來越低。該模型下SOFC 的盈虧平衡采購價格18 272 元/kW，即運營5 萬m2 的連棟溫室，項目能夠承擔(dān)1.8 萬元/kW的SOFC 設(shè)備投入，同時保證其番茄種植的正常利潤。

綜上所述，在標(biāo)準(zhǔn)連棟溫室場景下，采用有機固廢裂解+SOFC 供應(yīng)冷熱電碳，其可承受的SOFC 設(shè)備采購價格1.8 萬～2.7 萬元/kW。

3.2 種苗植物工廠可行性分析

植物工廠是對光、溫、濕、二氧化碳及營養(yǎng)等生長環(huán)境條件全智能控制的植物高效穩(wěn)定生產(chǎn)系統(tǒng)。其生產(chǎn)出的植物品質(zhì)優(yōu)、產(chǎn)量高、周期短、污染少及效益高，代表未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

植物工廠需要計算機和多種傳感器對環(huán)境進行精確控制、測量和反饋，能根據(jù)不同的植物設(shè)置溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等，可實時測量植物的生長和生理狀態(tài)，生成數(shù)據(jù)并反饋至控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對環(huán)境高精度、智能化控制。我國2013 年正式把植物工廠列入國家863 計劃。

植物工廠重點采用新的基因技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)，培育更適宜人工栽培的植物品種，營造更適合植物品種生長的工廠環(huán)境，建立更節(jié)省人力資源的生產(chǎn)流程，提高植物工廠農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭能力。植物工廠對于種苗的批量培育、加代育種方面都能發(fā)揮更大作用。

目前，全球植物工廠最大的商業(yè)化瓶頸是能源成本高，這直接導(dǎo)致只有少數(shù)場景能夠?qū)崿F(xiàn)盈虧平衡。據(jù)實地調(diào)研，超過1 萬m2 的植物工廠，建設(shè)費用在1 萬元/m2 以上。能耗125 W/m2，其中84% 為照明及智能設(shè)備用電，16% 為空調(diào)用能。同時，植物工廠需要精準(zhǔn)調(diào)控，必然采集的數(shù)據(jù)越來越多，其對算力能耗的需求也會越來越大。因此，植物工廠的能耗結(jié)構(gòu)非常適合SOFC+有機固廢裂解提供冷熱電碳一體化方案。

以楊凌規(guī)劃中的5 萬m2 植物工廠為例，其電負荷達到6 000 kW，配置相應(yīng)SOFC 即可保證植物工廠持續(xù)、穩(wěn)定供電。同時，SOFC 發(fā)熱用于植物工廠供冷或供暖， 余熱可以發(fā)電自用或上網(wǎng)。如果保守估計SOFC 設(shè)備的采購價未來10 年內(nèi)平均1 萬元/kW，電成本可以降到0.31 元/（kW·h），如表6 所示。如果根據(jù)低溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池降本速度，樂觀估計10 年中SOFC 的采購價平均可達到5 000 元/kW，屆時該植物工廠電成本為0.19 元/（kW·h），如表7 所示。

SOFC 的價格關(guān)系植物工廠的運營成本，進而關(guān)乎植物工廠商業(yè)模式的可行性。SOFC+有機固廢裂解模式是解決植物工廠痛點的有效方案。隨著SOFC 技術(shù)越來越成熟，植物工廠在種業(yè)大面積應(yīng)用必將給我國種子產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新動力。

3.3 應(yīng)用市場及前景

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所2019 年發(fā)布的《我國設(shè)施園藝裝備發(fā)展現(xiàn)狀和建議》數(shù)據(jù)，全國大中拱棚以上的設(shè)施面積達370 萬hm2，占世界設(shè)施園藝面積的80%；連棟溫室面積99.9 萬hm2，占全國設(shè)施面積的27%。連棟玻璃溫室被稱為裝備水平最高的溫室，我國有9 000 hm2，僅次于荷蘭（10 800hm2），位居世界第2 位。如果按照100 W/m2 負荷配置SOFC， SOFC 的售價1 萬元/kW，僅連棟玻璃溫室的SOFC 市場規(guī)模就達到900 萬kW，900 億元。如果擴展到全部連棟溫室，SOFC 市場規(guī)模將達90 億kW，9 萬億元。隨著國家種業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)的跨越式發(fā)展，垂直農(nóng)場、植物工廠等新模式興起，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用SOFC 全方位解決生產(chǎn)用冷熱電碳的方案潛力巨大。

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)新技術(shù)不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)大棚不僅僅需求調(diào)控溫度，濕度、二氧化碳濃度等也需要調(diào)控，以生產(chǎn)出高附加值的經(jīng)濟作物。SOFC 技術(shù)完全滿足農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)階段急需解決的問題，其具有高的能量利用率，持續(xù)電能輸出，同時反應(yīng)產(chǎn)生水和二氧化碳，以及SOFC系統(tǒng)的余熱，可以通過排放系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)控大棚環(huán)境中的濕度、二氧化碳濃度和溫度，對環(huán)境要求苛刻的無土栽培技術(shù)、持續(xù)日照作物、優(yōu)良種子培育等均可廣泛推廣。初步估算表明，如果SOFC 系統(tǒng)的采購價能在1 萬～ 2 萬元/kW， 連續(xù)使用壽命達5 年4 萬h，SOFC 系統(tǒng)將可以商業(yè)意義上廣泛用于智能連棟溫室、種苗植物工廠等現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域。

對于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)，性能穩(wěn)定、可靠、低成本的SOFC 能源系統(tǒng)可以根本上解決我國農(nóng)業(yè)大棚的高能耗成本、低熱效率和環(huán)境污染等問題，同時為SOFC 產(chǎn)業(yè)提供一個巨大的市場。

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