超臨界CO?布雷頓循環(huán)發(fā)電技術可使光熱發(fā)電降低10%的LCOE

【據(jù)相關研究數(shù)據(jù)顯示，太陽能熱發(fā)電如采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術，在最樂觀的情景下，可降低LCOE9%以上，即便在最悲觀的情景下，也可降低3%的LCOE?！?nbsp; 　　LCOE依然是光熱發(fā)電產業(yè)化的最重要影響因子，新技術的革新可以幫助我們找到更具成本效益的CSP解決方案。美國能源部通過SunShot計劃的實施以推動使太陽能熱發(fā)電的LCOE在2020年降低75%，達到6美分/千瓦時，其于去年6月份批準了最大規(guī)模的光熱發(fā)電科研支持計劃，共計撥款5600萬美元支持21個CSP相關項目。 　　在一個布雷頓循環(huán)中，加熱并壓縮二氧化碳產生超臨界狀態(tài)的二氧化碳（簡稱S-CO?）并利用其作為傳熱介質可顯著提高CSP電站的效率。這種技術也成為了Sunshot計劃重點支持的方向。包括Brayton能源公司、國家可再生能源實驗室、西南研究所等多家單位都獲得了資金支持研究與此相關的技術。 　　S-CO?對光熱發(fā)電的LCOE到底將造成何種影響？為此，我們進行了相關分析。美國NREL主持超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)10MW級示范項目的高級工程師和主要負責人Craig Turchi也向我們談了他的觀點。 　　美國能源部認為，太陽能發(fā)電的成本下降應從三個方面著手：降低技術成本、降低并網(wǎng)成本、促進規(guī)?；蚧瘧?。如果再加上一點，應歸于提升電站效率。S-CO?的應用即可達到此目標。在最樂觀的情景分析下，S-CO?可幫助提高8%左右的發(fā)電效率。 　　超臨界CO?系統(tǒng) 　　S-CO?系統(tǒng)是一種高級電力循環(huán)系統(tǒng)，其采用二氧化碳作為工作介質、在封閉的布雷頓熱力循環(huán)中循環(huán)做功，熱電轉換效率遠高于以蒸汽作為工作介質的傳統(tǒng)蒸汽輪機和以燃氣為介質的燃氣輪機。 　　美國桑迪亞實驗室和NREL正在研究S-CO?應用于塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的潛在影響，這是因為塔式技術可實現(xiàn)更高的工作溫度，能更好的驗證S-CO?的效能。但同時，這并不意味著S-CO?不能應用于槽式系統(tǒng)。 　　削減CAPEX 　　S-CO?對光熱發(fā)電CAPEX的影響還在研究之中，尚未形成十分權威的研究成果。根據(jù)2006年有人做過的一份相關研究，相較傳統(tǒng)的郎肯循環(huán)，S-CO?布雷頓循環(huán)可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)20%~25%的成本下降。 　　NREL已經(jīng)將20%作為其研發(fā)目標，對于整個電站的CAPEX而言，電力系統(tǒng)的投資成本占總成本的11%左右，這意味著20%的電力系統(tǒng)投資削減將帶來2.2%的CAPEX削減。 　　但同時，S-CO?電力循環(huán)系統(tǒng)的應用可能將增加儲熱的成本。這些研究目前還未能得到驗證，為彌補這種不確定性，本文所應用的敏感性分析模型對S-CO?對光熱發(fā)電CAPEX的影響采取1.65%~2.75%的寬泛數(shù)據(jù)進行分析。 　　OPEX影響 　　從目前的研究來看， S-CO?的應用對光熱發(fā)電的OPEX沒有直接的影響。 　　效率和性能 　　目前在各方面綜合表現(xiàn)最為優(yōu)秀的太陽能熱電技術應為塔式配空冷的技術路線，其熱電轉換效率為41%~42%。據(jù)NREL的分析，S-CO?電力循環(huán)可將這種電站的效率提升至44%~50%。本文所應用的敏感性分析模型采取7.5%的提高比例進行分析。 　　案例情景分析 　　我們以一個100MW、配置6小時儲熱的塔式光熱電站為例進行分析，下表是該電站的各項參數(shù)。在此參數(shù)的基礎上，我們來研究采用超臨界二氧化碳循環(huán)后對各項參數(shù)的影響。 　　根據(jù)LCOE的計算公式，我們來計算當采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)后，按照上文采取的設定數(shù)據(jù)來計算對LCOE造成的影響。（式中r:貼現(xiàn)率，n：電站壽命期，CAPEX=總的項目初始投資；OPEX=運維總支出；Electricity Generated=發(fā)電量。） 　　圖1顯示的是，CAPEX削減和LCOE降低的對應關系、性能即效率提升和LCOE降低的對應關系。參照電站的LCOE是14.42歐分/kwh，CAPEX從參考電站的成本降低2.75%后，實現(xiàn)LCOE降至14.07歐分/kwh，降幅1.5%。而如果提高7.5%的運行效率，則可以使LCOE降低至13.41歐分/kwh左右，降幅6.98%。 圖1：數(shù)據(jù)來源：CSPTODAY研報 　　更有意義的結果是，如果將CAPEX降低和效率提升兩個方面綜合起來進行分析，如圖2，提升1.5%的效率，降低1.65%的CAPEX，可以實現(xiàn)LCOE降低2.91%，達到14歐分/kwh。如果提升4.5%的效率，降低2.2的CAPEX，可以實現(xiàn)LCOE降低6.16%，達到13.53歐分/kwh左右。 圖2：數(shù)據(jù)來源：CSPTODAY研報 　　從此可以看出，邊際變化越大，結果也越理想。最為理想的情景是實現(xiàn)CAPEX降低2.75%，效率增加7.5%。這將可以幫助光熱發(fā)電實現(xiàn)9.23%的LCOE削減，達到13.1歐分/kwh。 　　 結論 　　在實現(xiàn)CSP成本降低75%的SunShot規(guī)劃目標下，S-CO?的應用預期可以幫助實現(xiàn)10%左右的成本削減。Turchi指出：“我們現(xiàn)在討論的這一項目僅僅是SunShot計劃實施的一步，我們無法期望在3年內完成所有目標。我相信DOE已經(jīng)設定了一個目標，激勵光熱發(fā)電產業(yè)的研發(fā)生態(tài)，光熱發(fā)電行業(yè)也將致力于實現(xiàn)變革，實現(xiàn)突破，使光熱發(fā)電在能源產業(yè)中占據(jù)重要地位。為達到SunShot的規(guī)劃目標，各種影響因素我們都需要考慮到，電力系統(tǒng)效率的提升和光場系統(tǒng)的成本降低是降低LCOE最重要的兩個方向，但我們還應注意一些細節(jié)，如熱量接收器的維護和儲熱系統(tǒng)的效率提升和壽命提升，即便我們在更高的層面上進行突破，這些細節(jié)上的因素我們也要考慮到。” 　　如果期待太陽能熱發(fā)電產業(yè)在LCOE削減方面一夜之間實現(xiàn)重大突破，結果一定是失望的。LCOE削減不是一朝之功，采取二氧化碳超臨界布雷頓循環(huán)發(fā)電等類似的變革性技術將大大助力光熱發(fā)電及早邁向平價上網(wǎng)。我們目前需要做的，就是將此類新技術盡快實現(xiàn)工業(yè)化應用。