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超临界CO₂布雷顿循环发电技术可使光热发电降低10%的LCOE

钜大LARGE  |  点击量:314次  |  2019年08月06日  

摘要
【据相关研究数据显示,太阳能热发电如采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术,在最乐观的情景下,可降低LCOE9%以上,即便在最悲观的情景下,也可降低3%的LCOE... 关键字:太阳能热发电 超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术 LCOE S-CO₂。

【据相关研究数据显示,太阳能热发电如采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术,在最乐观的情景下,可降低LCOE9%以上,即便在最悲观的情景下,也可降低3%的LCOE。】


LCOE依然是光热发电产业化的最重要影响因子,新技术的革新可以帮助我们找到更具成本效益的CSP解决方案。美国能源部通过SunShot计划的实施以推动使太阳能热发电的LCOE在2020年降低75%,达到6美分/千瓦时,其于去年6月份批准了最大规模的光热发电科研支持计划,共计拨款5600万美元支持21个CSP相关项目。


在一个布雷顿循环中,加热并压缩二氧化碳产生超临界状态的二氧化碳(简称S-CO₂)并利用其作为传热介质可显著提高CSP电站的效率。这种技术也成为了Sunshot计划重点支持的方向。包括Brayton能源公司、国家可再生能源实验室、西南研究所等多家单位都获得了资金支持研究与此相关的技术。


S-CO₂对光热发电的LCOE到底将造成何种影响?为此,我们进行了相关分析。美国NREL主持超临界二氧化碳布雷顿循环10MW级示范项目的高级工程师和主要负责人Craig Turchi也向我们谈了他的观点。


美国能源部认为,太阳能发电的成本下降应从三个方面着手:降低技术成本、降低并网成本、促进规模化全球化应用。如果再加上一点,应归于提升电站效率。S-CO₂的应用即可达到此目标。在最乐观的情景分析下,S-CO₂可帮助提高8%左右的发电效率。


超临界CO₂系统


S-CO₂系统是一种高级电力循环系统,其采用二氧化碳作为工作介质、在封闭的布雷顿热力循环中循环做功,热电转换效率远高于以蒸汽作为工作介质的传统蒸汽轮机和以燃气为介质的燃气轮机。


美国桑迪亚实验室和NREL正在研究S-CO₂应用于塔式热发电系统的潜在影响,这是因为塔式技术可实现更高的工作温度,能更好的验证S-CO₂的效能。但同时,这并不意味着S-CO₂不能应用于槽式系统。


削减CAPEX


S-CO₂对光热发电CAPEX的影响还在研究之中,尚未形成十分权威的研究成果。根据2006年有人做过的一份相关研究,相较传统的郎肯循环,S-CO₂布雷顿循环可以实现电力系统20%~25%的成本下降。


NREL已经将20%作为其研发目标,对于整个电站的CAPEX而言,电力系统的投资成本占总成本的11%左右,这意味着20%的电力系统投资削减将带来2.2%的CAPEX削减。


但同时,S-CO₂电力循环系统的应用可能将增加储热的成本。这些研究目前还未能得到验证,为弥补这种不确定性,本文所应用的敏感性分析模型对S-CO₂对光热发电CAPEX的影响采取1.65%~2.75%的宽泛数据进行分析。


OPEX影响


从目前的研究来看, S-CO₂的应用对光热发电的OPEX没有直接的影响。


效率和性能


目前在各方面综合表现最为优秀的太阳能热电技术应为塔式配空冷的技术路线,其热电转换效率为41%~42%。据NREL的分析,S-CO₂电力循环可将这种电站的效率提升至44%~50%。本文所应用的敏感性分析模型采取7.5%的提高比例进行分析。


案例情景分析


我们以一个100MW、配置6小时储热的塔式光热电站为例进行分析,下表是该电站的各项参数。在此参数的基础上,我们来研究采用超临界二氧化碳循环后对各项参数的影响。


根据LCOE的计算公式,我们来计算当采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统后,按照上文采取的设定数据来计算对LCOE造成的影响。(式中r:贴现率,n:电站寿命期,CAPEX=总的项目初始投资;OPEX=运维总支出;Electricity Generated=发电量。)


图1显示的是,CAPEX削减和LCOE降低的对应关系、性能即效率提升和LCOE降低的对应关系。参照电站的LCOE是14.42欧分/kwh,CAPEX从参考电站的成本降低2.75%后,实现LCOE降至14.07欧分/kwh,降幅1.5%。而如果提高7.5%的运行效率,则可以使LCOE降低至13.41欧分/kwh左右,降幅6.98%。


图1:数据来源:CSPTODAY研报


更有意义的结果是,如果将CAPEX降低和效率提升两个方面综合起来进行分析,如图2,提升1.5%的效率,降低1.65%的CAPEX,可以实现LCOE降低2.91%,达到14欧分/kwh。如果提升4.5%的效率,降低2.2的CAPEX,可以实现LCOE降低6.16%,达到13.53欧分/kwh左右。


图2:数据来源:CSPTODAY研报


从此可以看出,边际变化越大,结果也越理想。最为理想的情景是实现CAPEX降低2.75%,效率增加7.5%。这将可以帮助光热发电实现9.23%的LCOE削减,达到13.1欧分/kwh。


结论


在实现CSP成本降低75%的SunShot规划目标下,S-CO₂的应用预期可以帮助实现10%左右的成本削减。Turchi指出:我们现在讨论的这一项目仅仅是SunShot计划实施的一步,我们无法期望在3年内完成所有目标。我相信DOE已经设定了一个目标,激励光热发电产业的研发生态,光热发电行业也将致力于实现变革,实现突破,使光热发电在能源产业中占据重要地位。为达到SunShot的规划目标,各种影响因素我们都需要考虑到,电力系统效率的提升和光场系统的成本降低是降低LCOE最重要的两个方向,但我们还应注意一些细节,如热量接收器的维护和储热系统的效率提升和寿命提升,即便我们在更高的层面上进行突破,这些细节上的因素我们也要考虑到。


如果期待太阳能热发电产业在LCOE削减方面一夜之间实现重大突破,结果一定是失望的。LCOE削减不是一朝之功,采取二氧化碳超临界布雷顿循环发电等类似的变革性技术将大大助力光热发电及早迈向平价上网。我们目前需要做的,就是将此类新技术尽快实现工业化应用。


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