肯尼亚制造业中电蒸汽锅炉的建模、模拟与技术经济分析：基于地热与风能弃电利用的视角

《Scientific African》：Modeling, simulation and techno-economic analysis of electrical steam boilers in manufacturing industries in Kenya

本刊推荐：为解决制造业锅炉使用重燃料油（HFO）和生物质带来的污染、资源消耗及可再生能源弃电问题，研究人员对肯尼亚现有锅炉进行电气化改造的技术经济可行性开展了建模与仿真研究。结果表明，电锅炉虽能实现显著的能源节约（生物质锅炉节能38.34%-39.29%，HFO锅炉节能24.55%），但在当前肯尼亚电价下，于工厂层面经济性不佳。研究指出，利用弃电（地热、风能）并在非高峰时段运行，同时考虑碳信用收入，可使电锅炉项目在经济上可行，为制造业能源转型提供了关键政策启示。

　　

在全球追求可持续发展的背景下，制造业的能源系统面临着严峻的挑战。特别是在需要大量热能的工厂中，普遍使用的重燃料油和生物质蒸汽锅炉，不仅消耗着日益枯竭的化石燃料，还带来了严重的环境污染问题。与此同时，尽管肯尼亚等国家在可再生能源发电方面取得了长足进步，尤其是地热和风能，但电网的“弃电”现象——即在电力供过于求时被迫限制可再生能源发电——却造成了巨大的清洁能源浪费。这种能源浪费与工业热需求之间的矛盾，催生了一个创新的解决方案构想：能否将这些被弃用的、来自可再生能源的电力，用于驱动工业电蒸汽锅炉，从而替代传统的污染型锅炉？这不仅能够消化多余的绿色电力，还能显著降低工业碳足迹，实现能源的“削峰填谷”。然而，这一构想是否在技术和经济上都行得通，尤其是在肯尼亚这样的发展中国家？这正是发表在《Scientific African》上的研究《Modeling, simulation and techno-economic analysis of electrical steam boilers in manufacturing industries in Kenya》所要回答的核心问题。

为了深入探究这一问题，由Eustace Murithi Njeru、David Wafula Wekesa和Fenwicks Shombe Musonye组成的研究团队，开展了一项系统性的技术经济分析。研究的关键技术方法主要包括：首先，通过从肯尼亚能源与石油管理局（EPRA）获取的能源审计报告进行二次数据分析，并结合对93台锅炉（包括4000 kg/h和4500 kg/h的生物质锅炉以及6000 kg/h的HFO锅炉）的现场实测（使用烟气分析仪、红外测温仪等设备）进行验证，建立了锅炉能效随运行年限变化的性能模型。其次，利用这些性能数据，开发了用于模拟生物质、HFO和电锅炉能量表现的技术经济模型，核心计算涉及锅炉效率、生命周期能耗、运行成本以及关键财务指标如净现值（NPV）和平准化能源成本（LCOE）。最后，研究将“隐性收益”——如避免的HFO进口成本、碳信用额以及弃电的 productive use（生产性利用）——纳入经济性评估框架，全面分析了在工厂层面和国家层面推行电锅炉改造的可行性。

Boiler sampling and data collection

研究人员从能源审计报告中识别并筛选了93台锅炉作为研究对象，并采用分层抽样法确定了样本量。最终，对35台4000 kg/h生物质锅炉、33台4500 kg/h生物质锅炉和25台6000 kg/h HFO锅炉进行了现场测试，响应率均超过80%，确保了数据的代表性。

Variation of theoretical versus operational energy efficiencies for 4000 kg/h biomass, 4500 kg/h biomass and 6000kg/h HFO boilers with age.

研究比较了锅炉理论能效与实际运行能效随使用年限的变化。结果显示，所有类型锅炉的实际运行能效均低于理论值，且偏差随锅炉老化而增大。4000 kg/h生物质锅炉、4500 kg/h生物质锅炉和6000 kg/h HFO锅炉的平均能效偏差分别为17.79%、18.67%和13.82%。到第20年，HFO锅炉的能效偏差高达23.70%，而两种生物质锅炉分别为17.70%和18.60%。这表明HFO锅炉的性能受老化影响更为显著。偏差主要归因于工厂运行条件（如负荷波动、燃料质量不均）与实验室理想条件的差异，以及辅助设备（如风机、泵）运行不佳和传热面积灰等因素。

Economic evaluation

Energy and financial savings for replacing thermal boilers with electric boilers

技术分析表明，用电锅炉替代现有锅炉能带来显著的节能效果。替换4000 kg/h生物质锅炉、4500 kg/h生物质锅炉和6000 kg/h HFO锅炉，可分别实现38.34%、39.29%和24.55%的能源节约。这主要得益于电锅炉高达95%以上的高热效率，远高于传统锅炉。

Energy cost savings thermal boilers vs electric boilers

然而，财务分析揭示了严峻的现实。在锅炉20年经济寿命内，仅考虑工厂层面的直接成本（购电成本、设备投资、维护等），电锅炉的运行成本远高于传统锅炉。6000 kg/h电锅炉比同容量HFO锅炉多花费30,214,580美元；4000 kg/h和4500 kg/h电锅炉比同容量生物质锅炉分别多花费43,349,045美元和37,951,618美元。其主要原因是肯尼亚现行电价较高。

Benefits of electric boilers

Replacing a 6000kg/h HFO boilers with electric boilers

Replacing 4000 kg/h boilers with electric boilers

研究进一步从国家层面评估了电锅炉的效益。若考虑“隐性收益”，情况则大为改观。以替换一台6000 kg/h HFO锅炉为例，每年可因能效提升节约7,090,486.36 kWh能源，价值约19,784美元；避免HFO进口618,176.66升，价值20,380美元；减少碳排放215,510吨，若计入碳信用价值约74,803美元。替换4000 kg/h生物质锅炉，除节能收益外，还能避免占用用于种植能源作物的耕地（每年2.24英亩，相当于价值5,063美元的玉米产量），使土地可用于粮食生产。

Levelised Cost of Energy (LCOE)

研究计算了采用电锅炉方案的平准化能源成本（LCOE）。在考虑利用弃电（2022年7月至2023年6月期间，肯尼亚电网弃电量达1,151,138.529 MWh，主要来自地热和风电）和电锅炉节能（相当于1,548,205.765 MWh能源）的情景下，当电价为0.16美元/kWh时，LCOE为0.16美元/kWh；当电价为0.10美元/kWh时，LCOE为0.11美元/kWh。这一成本与地热发电的LCOE（0.04-0.14美元/kWh）具有可比性，表明其作为一项“虚拟电厂”或能源节约措施的经济合理性。

Conclusions

该研究通过建模与仿真，系统地评估了在肯尼亚制造业中用可再生能源电力驱动的电锅炉替代传统HFO和生物质锅炉的技术经济可行性。核心结论是：电锅炉在技术上具有显著的节能优势（24.55%-39.29%），能有效降低碳排放并利用被弃用的可再生能源。然而，在现行肯尼亚电价体系下，仅从单个工厂的财务角度看，电锅炉项目因高昂的用电成本而缺乏经济吸引力。研究的突破性发现在于，若将项目提升至国家层面进行考量，并辅以针对性的政策支持——例如，为利用弃电设定特殊的低电价（研究测算，电价需低于16.835美分/kWh，项目净现值NPV方可为正值），实施基于时间电价的非高峰用电策略，以及将避免的化石燃料进口成本、碳信用收入等隐性收益内部化——则电锅炉改造项目将展现出良好的经济可行性，其净现值（NPV）可转为正值，平准化能源成本（LCOE）也可与新建可再生能源项目相媲美。

这项研究的意义重大。它不仅为肯尼亚制造业的能源清洁转型提供了一条具体且数据支撑的技术路径，更重要的是，为政策制定者设计激励措施（如绿色税收、补贴、专项贷款利率优惠）提供了关键依据。研究结论与肯尼亚《2025-2034年国家能源政策》及《2050年能源转型与投资计划（ETIP）》中关于提高能效、促进可再生能源消纳和实现 decarbonization（脱碳）的目标高度契合。同时，该研究范式也可为面临类似能源挑战的其他发展中国家提供借鉴，推动全球范围内工业热力生产的低碳化进程。通过将弃电“变废为宝”，电锅炉有望成为连接可再生能源大规模部署与工业领域深度脱碳的一座重要桥梁。