2020 年 4 月， Energies 期刊發(fā)表了一篇由加拿大安大略理工大學(xué)（UOIT）研究人員撰寫的文章，題為“熱電聯(lián)產(chǎn)型核與可再生能源小型混合能源系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)”。文章介紹了 5 種不同的熱電聯(lián)產(chǎn)型（CHP）混合能源系統(tǒng)（HES），分別是：①傳統(tǒng)的小型化石燃料熱力發(fā)電系統(tǒng)（FFTG）；②小型可再生能源（RES）系統(tǒng)；③基于 FFTG 與 RES 的小型混合能源系統(tǒng)；④小型核能系統(tǒng)；⑤基于核與RES 的小型混合能源系統(tǒng)（N-R MHES）。研究人員對上述系統(tǒng)的凈現(xiàn)值費(fèi)用（NPC）、能源成本（COE）和溫室氣體（GHG）排放這三種技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）進(jìn)行了比較分析，并對影響系統(tǒng)的不同變量進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果表明，N-R MHES可能是最適合脫碳和能源可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)。

    1 NPC和COE分析

    表 1 列出了 5 種熱電聯(lián)產(chǎn)型能源系統(tǒng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下的 NPC 和 COE。

    在并網(wǎng)模式下，系統(tǒng)①“傳統(tǒng)小型 FFTG”的 NPC 和 COE 均最高，而系統(tǒng)④“小型核能系統(tǒng)”和系統(tǒng)⑤“N-R MHES”的 NPC和 COE 最低。系統(tǒng)①在并網(wǎng)模式下，總電力需求的 99.99%是從電網(wǎng)購買的。此外，F(xiàn)FTG 的鍋爐中使用了大量的柴油燃料（161 438升/年）來滿足熱負(fù)荷，從而增加了系統(tǒng)的總成本。因此，系統(tǒng)①在并網(wǎng)模式下的 NPC 和 COE 均很高。由于較低的資金成本和運(yùn)營成本，系統(tǒng)④在并網(wǎng)模式下的 NPC 最低。系統(tǒng)⑤在并網(wǎng)模式下，由于微型模塊堆（MMR）和 RES 的組合會產(chǎn)生大量的剩余電能，這些多余的能量出售給電網(wǎng)可以獲得大量收入。此外，MMR 產(chǎn)生的熱能足以滿足熱需求，不需要額外的燃料來滿足熱負(fù)荷。因此，系統(tǒng)⑤在并網(wǎng)模式下的 COE 最低。在并網(wǎng)模式下，系統(tǒng)⑤的 NPC 略高于系統(tǒng)④的 NPC，這是因?yàn)橄到y(tǒng)⑤中使用不同RES 設(shè)備（例如風(fēng)輪機(jī)、水輪機(jī)和光伏面板）的初始成本較高。

    在離網(wǎng)模式下，系統(tǒng)①的 NPC 和 COE 均最高，系統(tǒng)④的 NPC和 COE 均最低。需要指出的是，由于系統(tǒng)②“小型 RES 系統(tǒng)”沒有提供任何可行解，這就意味著該系統(tǒng)不支持本文的電力需求研究。系統(tǒng)①在離網(wǎng)模式下，發(fā)電機(jī)組通過燃燒燃料來提供總電力負(fù)荷，這顯著增加了系統(tǒng)成本。但是，此時鍋爐燃料成本較低，因?yàn)殄仩t僅提供熱需求的 2.57%。系統(tǒng)④在離網(wǎng)模式下，由于僅由 MMR 組成，并且沒有導(dǎo)致較高初始成本的 RES 設(shè)備，因此 NPC 和 COE 均最低。

    此外，大量多余的電能被鍋爐熱負(fù)荷系統(tǒng)的復(fù)合控制器用來提供熱負(fù)荷。由于在離網(wǎng)模式下系統(tǒng)④不需要運(yùn)行鍋爐，所以無需額外的燃料成本來滿足熱量供應(yīng)需求，因此系統(tǒng)④的NPC 和 COE 均最低。盡管在離網(wǎng)模式下系統(tǒng)⑤產(chǎn)生的多余電能（6 210 660 千瓦時/年）和熱能（9 765 760 千瓦時/年）均高于系統(tǒng)④產(chǎn)生的多余電能（4 193 123 千瓦時/年）和熱能（7 748 223千瓦時/年），但是在離網(wǎng)模式下不能將多余的電能出售給電網(wǎng)，所以此時系統(tǒng)⑤的 NPC 和 COE 仍然高于系統(tǒng)④的 NPC 和 COE。

    2 GHG  排放量分析

    表 2 列出了 5 種熱電聯(lián)產(chǎn)型能源系統(tǒng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下的 GHG 排放量。

    研究人員分析了 5 種類型的 GHG 排放量： 、NO 和顆粒物，其中顆粒物包括煙灰、煙霧和液滴。在并網(wǎng)模式下，系統(tǒng)①中所有類型的 GHG 排放量均最高，因?yàn)樵谙到y(tǒng)①中99.99%的電力需求是由電網(wǎng)提供的，并且可通過燃燒天然氣來發(fā)電。對于系統(tǒng)④和系統(tǒng)⑤來說，不管是在并網(wǎng)模式還是在離網(wǎng)模式下，都沒有燃燒化石燃料，僅靠 MMR 就滿足了供電和供熱需求，因此這兩種系統(tǒng)的 GHG 排放量均為零。需要指出的是，這項(xiàng)研究中僅僅涉及電力生產(chǎn)過程的 GHG 排放量分析，并沒有考慮場址建設(shè)和設(shè)備制造（比如 PV 面板）過程中的碳足跡。令人驚訝的是，系統(tǒng)②“小型 RES 系統(tǒng)”和系統(tǒng)③“基于 FFTG與 RES 的小型 HES”在并網(wǎng)模式下的 GHG 排放量也很大。通常認(rèn)為這兩種系統(tǒng)的 GHG 排放量應(yīng)該是最小的，因?yàn)樗鼈兌际腔?RES 的并網(wǎng) HES，且只有在提供熱能時需要燃燒化石燃料。導(dǎo)致這種結(jié)果主要是因?yàn)閮H靠系統(tǒng)②或系統(tǒng)③無法滿足電網(wǎng)的供電需求，只能再通過天然氣發(fā)電來進(jìn)行補(bǔ)充，從而產(chǎn)生大量 GHG 排放量。

    在離網(wǎng)模式下，系統(tǒng)①由于發(fā)電機(jī)組和鍋爐中柴油的燃燒，仍然會產(chǎn)生最大的 GHG 排放量。系統(tǒng)④和系統(tǒng)⑤顯示為 GHG 零排放，這是因?yàn)槿抗╇姾凸嵝枨缶赏ㄟ^ MMR、RES 以及MMR 的余熱得到滿足。

    3  敏感性分析
 
    由于這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究考慮了多個變量，故上述討論不能明確得出一個結(jié)論。為此，研究還對折現(xiàn)率、通貨膨脹率和項(xiàng)目壽期進(jìn)行了敏感性分析，以確定其對系統(tǒng)性能的影響，如表 3 所示。

    從表 3 中可以看出，在貼現(xiàn)率、通貨膨脹率和項(xiàng)目壽期的不同取值條件下，系統(tǒng)②在離網(wǎng)模式下均是不可行的。在離網(wǎng)模式下，系統(tǒng)①和系統(tǒng)④的項(xiàng)目壽期延長至 60 年或者 100 年、系統(tǒng)③的項(xiàng)目壽期延長至 100 年時，將不能滿足所選定的電力和熱負(fù)荷需求。所有系統(tǒng)出現(xiàn)不可行性的情況都是由于裝機(jī)容量不足引起的。這是因?yàn)楣╇姾凸嵝枨竺磕甓荚谝砸欢ǖ陌俜直仍鲩L，而能源裝機(jī)容量卻不增加，因此當(dāng)前的能源無法充分滿足需求。較高的通貨膨脹率也對系統(tǒng)的可行性有顯著影響，例如，較高的通貨膨脹率顯著提高了系統(tǒng)①、系統(tǒng)②和系統(tǒng)③的 NPC。但是，系統(tǒng)⑤“N-R MHES”無論是在并網(wǎng)還是離網(wǎng)模式下，無論折舊率、通貨膨脹率和項(xiàng)目壽期是高還是低，它都能始終以較低的 NPC 來滿足供電和供熱需求。

    在較低折現(xiàn)率（3%和 8%）和較短項(xiàng)目壽期（30 年）的情況下，系統(tǒng)④（離網(wǎng)模式）的 NPC 比系統(tǒng)⑤（離網(wǎng)模式）更低，如表 3 中的第 1、4、7、10、13 和 16 種情況。有時候，在較高折現(xiàn)率（10%）和較短項(xiàng)目壽期（30 年）的情況下，系統(tǒng)④（離網(wǎng)模式）的 NPC 也可能會小一些，如表 3 中的第 19、22和 25 種情況。

    在較短項(xiàng)目壽期（30 和 60 年）或較低通貨膨脹率（2%和4%）的情況下，系統(tǒng)④（并網(wǎng)模式）的 NPC 在少數(shù)情況下可能要比系統(tǒng)⑤（并網(wǎng)模式）的略低，如表 3 中的第 19、20 和 22種情況。但是，在較高項(xiàng)目壽期（60 和 100 年）時，系統(tǒng)⑤總是提供最具經(jīng)濟(jì)性的 NPC。

    4  結(jié)論

    大型 N-R HES 并不是一個新概念。多個國家正在加強(qiáng)對 N-R HES 的研究和創(chuàng)新。然而，大型核電站具有巨大的風(fēng)險(xiǎn)和需要高昂的資本成本，因此，這項(xiàng)研究提出并評估了 MMR 與 RES 的混合能源系統(tǒng)——N-R MHES。盡管 N-R MHES 取決于當(dāng)?shù)?RES的可用性，但 N-R MHES 始終能提供基荷電力供應(yīng)，這使得混合能源系統(tǒng)的彈性和穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)。本研究旨在為 N-R MHES的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面提供清晰的思路，研究結(jié)果可以總結(jié)如下：

   （1）從敏感性分析可以得出結(jié)論，N-R MHES 將來可能成為可持續(xù)能源解決方案的彈性能源供應(yīng)來源。N-R MHES 顯然有益于可靠能源系統(tǒng)的長期規(guī)劃。

   （2）就 NPC、COE 和 GHG 排放而言，MMR 可以替代柴油發(fā)電機(jī)組。基于 RES 的離網(wǎng)能源系統(tǒng)很少有能力或不能充分滿足大中型電力需求，但卻可能是滿足小規(guī)模供電和供熱需求的有效解決系統(tǒng)。盡管基于 RES 的并網(wǎng)能源系統(tǒng)被大眾認(rèn)為是清潔的，但若它是來自于化石燃料的燃燒，則并不總是一種清潔能源。在滿足大型或中型供電需求時，并網(wǎng) N-R MHES 可能是在COE 方面最具成本效益的解決方案。此外，由于離網(wǎng) N-R MHES中具有大量可使用的多余電能和熱能，因此可能是中型或大型遠(yuǎn)程工業(yè)應(yīng)用（如海水淡化廠、采礦站和電動汽車充電平臺）的較佳選擇。N-R MHES 沒有 GHG 排放，可以為脫碳方面的項(xiàng)目提供最佳能源解決方案。
      
                                                                                            來源：www.mdpi.com（宋敏娜 倪民子編譯）