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摘要：蒸汽型高溫固體儲熱技術(shù)是將谷電或新能源富裕電力轉(zhuǎn)化成熱能，存儲于固體儲熱材料內(nèi)，隨著工業(yè)用戶工藝蒸汽需求，啟動循環(huán)風(fēng)機(jī)將固體儲熱材料內(nèi)熱量通過空氣傳遞至水，水吸收熱量變成蒸汽，實(shí)現(xiàn)用戶供汽。
以某制藥公司為例，介紹了蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)流程，結(jié)合工藝蒸汽需求和當(dāng)?shù)仉妰r政策，采用投資決策的動態(tài)評價方法，分析了蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)的凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率和投資回收期。通過分析可知，蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性不僅受當(dāng)?shù)靥烊粴?、煤炭價格對蒸汽價格影響，同時還受谷電價格、電力市場交易價格及政府相應(yīng)的支撐政策約束。
國際能源署數(shù)據(jù)顯示，2018年供熱占全球終端能耗的50%，工業(yè)占據(jù)50%，隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的推進(jìn)，推動工業(yè)爐窯使用電、天然氣等清潔能源或?qū)嵤┘泄幔蔀橹匾陌l(fā)展趨勢。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是低碳清潔的主要措施，截至2021年底，我國新能源裝機(jī)規(guī)模達(dá)6.34億kW，占比達(dá)到26.7％，新能源發(fā)電量1萬億kW·h，占總發(fā)電量的12％，但新能源資源的隨機(jī)性和間歇性，會導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰困難，在這種電力系統(tǒng)新形勢下，需要提高電力消費(fèi)側(cè)靈活性及調(diào)峰能力，以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。
儲熱技術(shù)可以將電能存儲起來，根據(jù)工藝用熱需求釋放產(chǎn)生熱（蒸汽），不僅實(shí)現(xiàn)了削峰填谷、緩解新能源并網(wǎng)波動和調(diào)控電能品質(zhì)，同時采用低谷、低價新能源電力，降低了工業(yè)用熱的能源成本。此外，隨著我國電力市場化改革推進(jìn)，零電價或負(fù)電價成為“常客”，因此，如何將低成本電能轉(zhuǎn)化成熱能，降低工業(yè)用熱的能源成本，使得蒸汽型固體儲熱技術(shù)更有市場推廣前景，進(jìn)一步探討裝置成本、電價、蒸汽價格對蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)全生命周期的影響，為儲熱技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛推廣提供參考。
1.蒸汽型高溫固體儲熱技術(shù)
本文所研究的蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)如圖1所示，主要包括固體儲熱裝置、蒸汽發(fā)生器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、給水泵等。
圖1 蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)流程圖
開啟電源，將電能轉(zhuǎn)化成熱能存儲于儲熱材料內(nèi)，直至儲熱溫度達(dá)到儲熱材料設(shè)定值上限，同時，根據(jù)工業(yè)用戶熱需求，開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)，將冷空氣送入固體儲熱裝置內(nèi)與儲熱材料進(jìn)行熱交換，變成高溫的熱空氣進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，將熱量傳遞至水，水吸熱產(chǎn)生飽和蒸汽供應(yīng)給熱用戶，被吸熱后的蒸汽再次變?yōu)闊崴蚧厥赵俅萎a(chǎn)汽或用于余熱利用。
2.蒸汽型高溫固體儲熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
以某制藥公司為例，工藝所需蒸汽參數(shù)與運(yùn)行情況如表1所示。
表1 某制藥公司蒸汽運(yùn)行參數(shù)表
以某制藥公司所在地電價基準(zhǔn)，采用系統(tǒng)投資決策的動態(tài)評價方法，測算系統(tǒng)的凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率及投資回收期的變化，分析谷電價格、建設(shè)投資、蒸汽價格的敏感性，提出適宜于系統(tǒng)推廣的建議。
凈現(xiàn)值法是系統(tǒng)在整個技術(shù)方案的全壽命周期內(nèi)，全年產(chǎn)生的資金流入量與流出量的差值，按照設(shè)定的折現(xiàn)率，折算到投資開始時的現(xiàn)值，再把每年的折算值累加的結(jié)果。
式（1）中：NPV為第t年凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值；（CICO）t為第t年凈現(xiàn)金流量；t為年數(shù)；ic為設(shè)定的折現(xiàn)率（同基準(zhǔn)收益率）。
式（2）中：IRR為內(nèi)部收益率。
由式（1）、式（2）可知：當(dāng)NPV=0時，IRR=ic；當(dāng)NPV≥0時，IRR≥ic；當(dāng)NPV≤0時，IRR≥ic。因此，內(nèi)部收益率作為項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性判斷的指標(biāo)，當(dāng)IRR≥ic則項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上可以接受，當(dāng)IRR≥ic則項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上不可行。
式（3）中：Tp為投資回收期；tp為累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值開始出現(xiàn)正值的年份；CZXZtp為第tp年凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值；CjXZ(Tp-1)為上一年的累計(jì)凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值的絕對值。
以某制藥公司為例的蒸汽型高溫儲熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)指標(biāo)，如表2所示。
表2 某制藥公司蒸汽型高溫儲熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)指標(biāo)
2.1谷電價格敏感性
以案例所在地大工業(yè)用谷電價格為0.3721元/kW·h為基準(zhǔn)，計(jì)算其分別下浮10%~50%時系統(tǒng)的蒸汽成本、凈現(xiàn)值和投資回收期，如圖2所示。
圖2 蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)谷電價格敏感性圖
通過降低谷電價格，從而可降低系統(tǒng)的蒸汽成本中的用電成本，當(dāng)谷電價格降低20%時（0.2977元/kW·h），蒸汽型高溫相變儲熱系統(tǒng)的凈現(xiàn)值為39萬元>0，系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性，且其內(nèi)部收益率為12.8%，投資回收期為7年。因此，可以通過爭取電價優(yōu)惠、參與電力市場交易等渠道降低蒸汽能源成本。
2.2建設(shè)投資敏感性
以裝置建設(shè)投資為基準(zhǔn)，計(jì)算其分別下浮10%~50%時系統(tǒng)的凈現(xiàn)值，具體如圖3所示。
圖3 蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)建設(shè)投資敏感性圖
通過降低建設(shè)投資，即需降低主要設(shè)備及其附屬設(shè)備的費(fèi)用和相關(guān)維保費(fèi)用，可使其凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率逐步增大。故可通過申請政府補(bǔ)貼等方式，以降低建設(shè)投資使系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性，將設(shè)備投資降至50%時，蒸汽型高溫相變儲熱系統(tǒng)的凈現(xiàn)值為4萬元>0，系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性，且其內(nèi)部收益率為9%，投資回收期為8.5年。因此，可以通過爭取清潔能源替代、綠色低碳替代等政策設(shè)備補(bǔ)貼降低系統(tǒng)投資成本。
2.3蒸汽價格敏感性
以蒸汽定價價格315元/蒸噸為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其分別上浮10%~50%時系統(tǒng)的蒸汽收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和凈現(xiàn)值，具體如圖4所示。
圖4 蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)蒸汽價格敏感性圖
通過提高蒸汽收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，可使其凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率逐步增大。當(dāng)蒸汽收費(fèi)提高10%時（346元/蒸噸），蒸汽型高溫相變儲熱系統(tǒng)的凈現(xiàn)值為9萬元>0，系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性，且其內(nèi)部收益率為9%，投資回收期為8.3年?？梢?，隨著天然氣、煤炭價格的上漲，蒸汽價格隨之提升，未來電儲熱蒸汽具有廣闊的發(fā)展前景。
3.結(jié)語
本文介紹了蒸汽型高溫固體儲熱技術(shù)的技術(shù)工作流程，以某制藥公司的蒸汽需求參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r政策，借助投資決策的動態(tài)評價方法，分析了蒸汽型高溫固體儲熱系統(tǒng)的凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率和投資回收期，得到谷電價格降至20%、建設(shè)投資降至50%、蒸汽價格提升10%時，系統(tǒng)的凈現(xiàn)值大于零，系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性。同時，提出系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性不僅受當(dāng)?shù)靥烊粴狻⒚禾績r格對蒸汽價格影響，同時還受到谷電價格、電力市場交易價格及政府相應(yīng)的支撐政策約束。
