在天然气和绿色氢能两种情景下，智利联合循环发电厂中SOFC–GT–SG集成技术的技经与环境评估

《Energy》：Techno-economic and environmental assessment of SOFC–GT–SG integration in a Chilean combined cycle power plant under natural gas and green hydrogen scenarios

　　安德烈斯·埃斯卡洛纳|克劳迪奥·罗阿|克里斯蒂安·奎瓦斯|瓦莱里娅·巴拉|乌戈·加尔塞斯|亚历山大·马尔钦奇克|雅罗斯拉夫·米列夫斯基|费利佩·桑韦萨智利康塞普西翁大学机械工程系，埃德蒙多·拉雷纳斯街219号，康塞普西翁摘要本研究构建了一个全面的零维数学模型，用于评估将固体氧化物燃料电池引入智利以天然气和氢气为燃料的大型联合循环发电厂的可能性。所提出的方法结合了热力学、经济学和环境分析，采用了当地的燃料价格预测、碳定价机制以及智利的国家绿色氢能战略。通过将固体氧化物燃料电池与燃气轮机及蒸汽发生器相结合，当使用氢气作为燃料时，参考电厂的总体效率可从46.9%提升至69.5%，而使用天然气时则可提升至76.2%。在设计运行点下，该混合系统在保持原有燃气轮机运行条件的前提下，可将净电力输出从180兆瓦提升至约232兆瓦。从经济角度来看，短期内天然气仍是最具竞争力的选择，2025年的平均成本为146美元/兆瓦时，而氢气的平均成本则为244美元/兆瓦时。不过，随着氢气成本的下降，其长期竞争力将得到提升，到2050年平均成本可降至约97美元/兆瓦时。从环境角度而言，使用氢气可减少71%的二氧化碳排放，而使用天然气相比传统联合循环电厂可减少42%的碳排放。研究结果表明，天然气可作为固体氧化物燃料电池早期应用的过渡方案，而氢气则是实现智利电力行业深度脱碳的长期选择。引言2019年全球二氧化碳排放量达到43.1吉吨，其中36.5吉吨源自化石燃料的使用；随着电力需求上升至约1100太瓦时，2024年的这一数值进一步上升至37.8吉吨，这凸显出采取有效减缓措施的紧迫性[1]、[2]。2015年签订的《巴黎协定》设定了在本世纪中叶实现净零排放的目标，以将全球气温上升控制在1.5摄氏度以内[3]、[4]、[5]。在智利，能源行业约占温室气体总排放量的76%，该国的政策体系以《气候框架法》和国家绿色氢能战略为基础，明确将深度脱碳、电气化以及氢能作为重要发展方向[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。在此背景下，固体氧化物燃料电池因其高电能效率、低污染物排放以及燃料适用性强等优势而备受关注。其在600–1000摄氏度的较高温度下运行，有助于提升电化学反应速率，在适当运行条件下，电池组的电能转换效率可达50%–60%[11]。除了独立运行外，固体氧化物燃料电池还可以与燃气循环和蒸汽循环进行热整合，从而利用高温废气为涡轮机械或热回收设备提供动力，进一步提升系统的特定输出和整体效率。关于混合系统的研究十分丰富，已经形成了较为完善的系统架构与性能表现图谱。传统及现代研究涵盖了固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机组合、固体氧化物燃料电池与燃气轮机（常压和加压两种形式）组合、固体氧化物燃料电池与蒸汽发生器/过热器组合，以及三重混合配置（固体氧化物燃料电池–燃气轮机–蒸汽发生器），此外还有结合有机朗肯循环、超临界二氧化碳布雷顿循环、海水淡化技术、太阳能辅助装置以及多联产系统的各种变体[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。从方法论上看，这些研究在系统层面运用第一定律和第二定律进行分析，通过电流密度以及燃料/氧化剂利用率来确定最佳运行点，并确保固体氧化物燃料电池的废气能与下游循环实现良好的热匹配。对比常压与加压混合系统的研究表明，由于部分压力增加以及涡轮机和过热器之间的热整合效果更好，这类系统的效率会有所提升，有多项案例研究显示，根据系统架构和压力水平的不同，其总体效率可超过50%–65%[20]、[21]、[22]。这些研究结果与本文表1中所列的数据一致[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。还有一些研究通过参数分析和燃料敏感性分析（针对甲烷、一氧化碳和氢气等多种燃料），来研究系统层面的响应特性，通常认为经过优化的固体氧化物燃料电池–燃气轮机系统的电能转换效率可在55%–75%之间[28]、[29]、[30]。近年来，有一些以优化为目标的研究开始拓展技术应用范围，不再仅仅聚焦于发电领域，而是致力于同时兼顾效率、平均成本以及排放水平的多元目标分析，研究内容涉及结合二氧化碳处理系统或有机朗肯循环的多产品系统，以及能够同时产生电力、热能、冷却能量、淡水以及氢气的多联产系统[13]、[14]、[15]、[17]、[18]。在技术经济评估方面，最新的研究方法已不再局限于传统的成本估算方式，而是发展出了更为完善的综合评估框架，能够充分考虑热力学性能、燃料类型转变、运行灵活性以及长期经济不确定性之间的关系[31]。这类方法采用了标准化的技术经济评估流程，将详细的热力学建模与全面的成本核算相结合，明确了在向氢能过渡的背景下，燃料成本对系统盈利能力的决定性影响。在微型燃气轮机研究方面，也有新的进展，强调了在决策过程中需要运用能够综合考虑技术成熟度、运行策略以及新兴低碳燃料因素的系统级评估框架[32]。此外，人工智能技术也被引入到技术经济评估研究中，它能够帮助预测关键的经济指标，加快对复杂设计方案的评估速度，同时还能保证评估结果的准确性[33]。综上所述，这些发展态势都表明，未来在评估先进的能源系统以及基于氢能的发展路径时，将会更加注重整体性、适应性以及数据驱动的分析方法。在建模方面，目前存在三种不同尺度的方法，各自有着明确的适用场景。基于能斯特电势以及活化损失、欧姆损耗和传质损耗建立的零维（集中式）固体氧化物燃料电池模型具有很强的稳定性，且计算量较小，因此非常适合与燃气轮机及过热器进行整合，也便于在技术经济评估中进行大量的参数变化分析[34]、[35]、[36]、[37]。一维建模方法则可以考虑通道内的浓度梯度以及多孔介质中的梯度效应，这些信息有助于确定系统的运行范围，并在热约束条件下确定电池组的尺寸[38]，而计算流体力学方法则可以用来分析电池单元或部分电池组内的局部场效应，如温度、物质浓度和电流密度等，虽然计算成本相对较高，但能为设计提供更有价值的参考信息[39]。在现有的研究中，一种常见的做法是将零维的工厂级模型与一维建模或计算流体力学分析结果相结合，以此来确定安全的运行范围，比如电流密度的上限、蒸汽与碳的比例、阳极再循环率以及允许的温度梯度等，这些措施有助于避免出现局部过热现象，进而加快循环级求解器的收敛速度。由于系统的性能会随着时间而发生变化，因此有一些研究还考虑了长期性能衰减以及电池组件更换的情况，通常假设电池的使用寿命为30,000–40,000小时，并将这些因素纳入平均成本、净现值和内部收益率的计算中；这种长周期的分析方法对于得出符合实际工业情况的成本数据非常重要[36]、[40]、[41]。燃料化学性质以及工艺整合同样至关重要。燃料种类涵盖从天然气、氢气到合成气、一氧化碳、生物气、氨气，以及通过外部或内部重整得到的液态燃料等多种类型；蒸汽与碳的比例、催化剂的选择以及热量管理方式都会对系统的性能和寿命产生重要影响[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]。使用氢气作为燃料可以最大限度地提升电池的电化学性能，而且还能在电池反应阶段就避免二氧化碳的产生，这对于目前拉丁美洲日益重视碳定价政策的地区来说具有非常重要的意义[14]、[48]。采用生物质作为燃料，并配合二氧化碳捕集技术，不仅可以实现负碳排放，还能在多联产系统中提供可靠的电力供应能力[47]、[49]。在环境评估方面，生命周期评估研究表明，高电能转换效率加上有效的热回收措施，能够显著降低电力、热能以及氢气生产过程中的环境影响强度[50]、[51]、[52]。如果再将固体氧化物燃料电池与燃烧后的二氧化碳捕集技术相结合，比如采用钙循环技术，虽然会导致平均成本上升，但依然可以有效降低每兆瓦时产生的二氧化碳量，不过这种成本上升幅度需要结合当地的激励政策以及碳定价标准来综合考量[14]、[22]、[53]。在方法论方面，有一个值得注意的问题，那就是很多生命周期评估和技术经济评估研究都是使用通用的数据清单以及通用的价格和碳成本参数，很少考虑到各国具体的排放核算要求和监管规定；此外，辅助燃烧装置或尾部热处理装置中的氮氧化物生成机理也往往没有被充分考虑，而实际上这些因素对于实际工厂的改造项目来说至关重要，因为它们直接关系到项目的审批和合规性[54]、[55]。在经济学和金融学方面，虽然平均成本是常用的比较指标，但目前的研究已经开始结合净现值、内部收益率以及投资回收期等指标，同时还会考虑根据CEPCI标准调整后的资本成本、不断变化的燃料和电力价格以及不同的碳定价情景[14]、[15]、[37]、[56]。地域差异也对技术经济的可行性产生影响：不同的地理环境决定了不同的成本因素，比如氢气或天然气的供应价格、当地的电力价格，以及碳税和社会成本等因素，这些都会影响到项目的可行性和融资可能性[17]、[48]、[57]、[58]、[59]、[60]。即便在如此复杂的理论分析框架下，仍然有相当少的研究将电池组升级改造的成本明确纳入长周期的现金流分析中，而且很少考虑各国具体的价格走势和政策措施，这些遗漏可能会影响成本评估的结果，尤其是对于那些需要对现有热力设施进行改造的项目而言[40]、[41]、[61]、[62]。在运行性能方面，还有一个明显的不足之处，那就是部分负荷运行时的性能和控制策略问题。虽然有一些小型模型或简化模型研究了部分负荷下的性能特点以及通用的控制方式[23]、[26]，但大多数大型研究都假定系统始终在接近设计点的稳态状态下运行，很少考虑实际工厂在启动、停机过程中的特殊要求，以及与特定电力系统相连的联合循环机组在运行时所面临的各项热平衡约束[25]、[60]、[63]、[64]。最近在技术经济评估方法方面取得了新的进展，为评估基于燃气轮机的混合系统及其发展路径提供了更多的工具[65]。有研究者提出了一种针对微型燃气轮机系统的标准化技术经济评估框架，该框架将热力学建模与全面的成本核算相结合，研究表明，在向氢能过渡的过程中，燃料成本是决定系统总成本的关键因素，因为在100%使用氢气运行的情况下，燃料成本占每小时系统成本的80%以上；后来又有研究进一步提出了基于蒙特卡洛模拟的外生空间平均成本计算方法，该方法可以将风险和不确定性直接纳入平均成本计算中，从而更准确地反映政策、碳税以及各国具体价格因素对长期成本的影响。此外，还有研究将微型燃气轮机、可再生能源以及蓄电池储存装置集成在一起，构建微电网，并对未来一天的电力调度方式进行优化，研究结果表明，逐步用氢气替代天然气作为燃料，可以降低系统的年度运营成本21.4%，而蒙特卡洛分析也证实，该方案在面对燃料价格波动时仍具有较高的财务稳定性。综合以上分析，可以看出该领域的未来发展趋势非常明确：第一，固体氧化物燃料电池与燃气轮机组成的混合系统性能有望超越传统的燃气轮机或燃煤发电机组；第二，从零维建模到计算流体力学建模的完整方法体系，只要能够遵循正确的运行规范，就可以为固体氧化物燃料电池与其它设备的整合提供可行的解决方案；第三，固体氧化物燃料电池在环境方面的优势十分明显，而且通过配套的二氧化碳捕集技术，这一优势还可以进一步提升；第四，固体氧化物燃料电池在经济上的吸引力取决于具体的价格和碳成本状况，同时还需要准确考虑因性能衰减而带来的额外投资成本。不过，通过上述方法论分析，我们也发现了四个亟待解决的问题，这也是开展本研究的原因。首先，目前大多数关于固体氧化物燃料电池应用的研究都是针对欧洲、北美或亚洲地区的，而在南美洲，尽管该地区正在加速推进可再生能源和氢能产业的发展，但能够验证固体氧化物燃料电池与燃气轮机及过热器组合技术在实际工厂中的应用效果的案例仍然十分少见[25]、[41]。其次，虽然生命周期评估和二氧化碳排放量计算已经得到了较为完善的研究，但辅助燃烧装置或尾部热处理装置中的氮氧化物生成机理却很少被纳入分析范围，而实际上这一因素对于满足当地的环保法规和审批要求非常重要[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]。第三，目前还没有足够的研究能够综合考虑CEPCI标准下的资本支出、电池组升级改造的时间安排，以及2025年至2050年间智利特有的电力和燃料价格走势，还有碳税和社会成本等因素，从而得出可用于决策的准确指标，比如平均成本、净现值、内部收益率以及投资回收期等，而这些指标对于在智利电力行业进行投资决策来说非常重要[17]、[48]、[58]、[59]、[61]、[62]、[68]。第四，目前还缺乏那些能够利用目标工厂的实际运行数据和操作流程，来验证系统热匹配性能以及控制性能的研究，比如燃气轮机入口处的温度和流量、过热器中的热负荷分布情况，以及在不同部分负荷下的系统运行性能等[23]、[25]、[26]、[60]、[63]、[64]。因此，本研究通过对阿塔卡马联合循环电厂进行实际规模的改造评估，结合该电厂现有的燃气轮机及过热器的技术参数和运行规范，共同设计了固体氧化物燃料电池与燃气轮机及蒸汽发生器的整合方案[63]、[64]、[69]。在分析过程中，研究人员采用了经过验证的零维固体氧化物燃料电池模型，该模型基于现有的电化学性能关系式和性能衰减规律，然后将其与燃气轮机及过热器的热量和质量平衡分析相整合，以此来判断在额定负荷和部分负荷条件下系统是否能够实现良好的热匹配，同时还将电池组升级改造的成本纳入长周期的现金流分析中[4]、[35]、[40]、[41]。此外，研究人员还进行了区域化的技术经济评估，通过平均成本、净现值、内部收益率以及投资回收期等指标，比较了使用天然气和可再生能源产生的氢气作为燃料的两种方案，评估过程中考虑了CEPCI标准下的成本数据，以及2025年至2050年间智利特有的电力价格、天然气和氢气供应价格、碳税以及社会成本等因素[17]、[48]、[58]、[59]、[61]、[62]、[68]。最后，本研究还通过动力学建模方法计算了氮氧化物的排放量，将其换算成毫克/立方米以及克/兆瓦时的单位，这一数值符合智利的环保监管要求，这样的分析结果可以与二氧化碳排放量和生命周期评估的结果相互补充，从而为该电厂的环境状况提供更为全面的评估依据[50]、[51]、[53]、[54]、[55]。通过这项研究，本文直接解决了现有研究中的不足之处，为在当前及未来的市场条件和政策环境下，对智利现有的热力设施进行固体氧化物燃料电池混合系统改造提供了具有实际参考价值的决策依据。系统建模与评估方法本节介绍了为固体氧化物燃料电池–燃气轮机–蒸汽发生器混合系统所开发的完整建模与评估框架。该报告按照从物理系统到评估方法的逻辑顺序展开：2.1节介绍了阿塔卡马联合循环发电厂的特点，并明确了建模的边界条件；2.2节建立了SOFC电堆的零维电化学模型；2.3节阐述了气体和蒸汽循环的热力学模型，同时说明了如何对SOFC零维数学模型进行验证以及极化曲线的分析。在开展系统级分析之前，通过将所提出的零维SOFC模型的预测结果与[34]、[35]中报道的实验数据相比较，来评估其准确性。图6展示了在多种运行条件下模拟得到的极化特性与参考值的对比情况，相关系数R2为0.91。验证结果表明，模型预测值与实验测量值之间具有很好的一致性，这说明所采用的模型是可靠的。

技术性能分析显示，引入SOFC模块后，整个系统的效率有了显著提升——使用氢气时效率可达69.5%，使用天然气时则为76.2%，而原有的联合循环系统效率仅为46.91%。这一提升与以往关于SOFC混合系统的研究结果一致，那些研究中的类似配置也能实现56%至75%的效率[29]，这也进一步证明了当前研究结果的可靠性。

所提出的零维数学模型及相应方法成功帮助确定了系统的规模，使其能够输出约180兆瓦的净功率，这一数值与基准情况相符。为确保热稳定性，每个SOFC模块的活性区域被设定为225平方厘米。当使用氢气作为燃料时，需要245,000个电池单元，它们能为系统总输出功率贡献23.3%的功率；而使用天然气时，则需要250,000个电池单元，贡献的功率比例为23.1%。

**RediT作者贡献声明**
安德烈斯·埃斯卡洛纳：撰写初稿、监督工作、软件开发、方法设计、研究实施、资金筹措、正式分析、概念构思。克劳迪奥·罗亚：撰写初稿、软件开发、方法设计、研究实施、概念构思。克里斯蒂安·奎瓦斯：文章审阅与编辑、监督工作、方法设计、正式分析。瓦莱里亚·巴拉：文章审阅与编辑、研究实施。乌戈·加尔塞斯：文章审阅与编辑、可视化处理、方法设计、正式分析。亚历山大……

**关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明**
在撰写本文档的过程中，作者们使用了ChatGPT和Claude.AI工具，以提高手稿的清晰度和语法水平。在使用这些工具之后，作者们对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表的文章内容承担全部责任。

**利益冲突声明**
作者们声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：安德烈斯·埃斯卡洛纳表示获得了康塞普西翁大学的行政支持、设备、实验用品、差旅费用以及写作指导。此外，他还在康塞普西翁大学有工作关系。其他作者则声明自己没有已知的财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
本项工作的完成得益于“2024年度生产领域博士论文项目”（编号88240006）以及智利政府ANID机构资助的2023学年国家博士奖学金的支持。