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超臨界CO?布雷頓循環可使光熱發電降低10%的LCOE
發布者：本網記者Robin | 來源：CSPPLAZA光熱發電網 | 0評論 | 10455查看 | 2013-02-06 11:27:00    
　　【據相關研究數據顯示，太陽能熱發電如采用超臨界二氧化碳布雷頓循環發電技術，在最樂觀的情景下，可降低LCOE 9%以上，即便在最悲觀的情景下，也可降低3%的LCOE。】

　　CSPPLAZA光熱發電網報道：LCOE依然是光熱發電產業化的最重要影響因子，新技術的革新可以幫助我們找到更具成本效益的CSP解決方案。美國能源部通過SunShot計劃的實施以推動使太陽能熱發電的LCOE在2020年降低75%，達到6美分/千瓦時，其于去年6月份批準了最大規模的光熱發電科研支持計劃，共計撥款5600萬美元支持21個CSP相關項目。

　　在一個布雷頓循環中，加熱并壓縮二氧化碳產生超臨界狀態的二氧化碳（簡稱S-CO?）并利用其作為傳熱介質可顯著提高CSP電站的效率。這種技術也成為了Sunshot計劃重點支持的方向。包括Brayton能源公司、國家可再生能源實驗室、西南研究所等多家單位都獲得了資金支持研究與此相關的技術。

　　S-CO?對光熱發電的LCOE到底將造成何種影響？為此，我們進行了相關分析。美國NREL主持超臨界二氧化碳布雷頓循環10MW級示范項目的高級工程師和主要負責人Craig Turchi也向我們談了他的觀點。

　　美國能源部認為，太陽能發電的成本下降應從三個方面著手：降低技術成本、降低并網成本、促進規模化全球化應用。如果再加上一點，應歸于提升電站效率。S-CO?的應用即可達到此目標。在最樂觀的情景分析下，S-CO?可幫助提高8%左右的發電效率。

超臨界CO?系統

　　S-CO?系統是一種高級電力循環系統，其采用二氧化碳作為工作介質、在封閉的布雷頓熱力循環中循環做功，熱電轉換效率遠高于以蒸汽作為工作介質的傳統蒸汽輪機和以燃氣為介質的燃氣輪機。

　　美國桑迪亞實驗室和NREL正在研究S-CO?應用于塔式熱發電系統的潛在影響，這是因為塔式技術可實現更高的工作溫度，能更好的驗證S-CO?的效能。但同時，這并不意味著S-CO?不能應用于槽式系統。

　　削減CAPEX

　　S-CO?對光熱發電CAPEX的影響還在研究之中，尚未形成十分權威的研究成果。根據2006年有人做過的一份相關研究，相較傳統的郎肯循環，S-CO?布雷頓循環可以實現電力系統20%~25%的成本下降。

　　NREL已經將20%作為其研發目標，對于整個電站的CAPEX而言，電力系統的投資成本占總成本的11%左右，這意味著20%的電力系統投資削減將帶來2.2%的CAPEX削減。

　　但同時，S-CO?電力循環系統的應用可能將增加儲熱的成本。這些研究目前還未能得到驗證，為彌補這種不確定性，本文所應用的敏感性分析模型對S-CO?對光熱發電CAPEX的影響采取1.65%~2.75%的寬泛數據進行分析。

　　OPEX影響

　　從目前的研究來看， S-CO?的應用對光熱發電的OPEX沒有直接的影響。

　　效率和性能

　　目前在各方面綜合表現最為優秀的太陽能熱電技術應為塔式配空冷的技術路線，其熱電轉換效率為41%~42%。據NREL的分析，S-CO?電力循環可將這種電站的效率提升至44%~50%。本文所應用的敏感性分析模型采取7.5%的提高比例進行分析。

案例情景分析

　　我們以一個100MW、配置6小時儲熱的塔式光熱電站為例進行分析，下表是該電站的各項參數。在此參數的基礎上，我們來研究采用超臨界二氧化碳循環后對各項參數的影響。


　　根據LCOE的(de)(de)計(ji)算(suan)(suan)公式，我們來計(ji)算(suan)(suan)當(dang)采用超臨界二(er)氧化(hua)碳(tan)布雷(lei)頓(dun)循(xun)環(huan)發電(dian)(dian)系(xi)統(tong)后，按照上文采取的(de)(de)設定數據來計(ji)算(suan)(suan)對LCOE造成的(de)(de)影(ying)響。（式中(zhong)r:貼現率，n：電(dian)(dian)站壽命期，CAPEX=總(zong)的(de)(de)項目初始投資；OPEX=運(yun)維(wei)總(zong)支出；Electricity Generated=發電(dian)(dian)量。）



　　圖1顯示的是，CAPEX削減和LCOE降低的對應關系、性能即效率提升和LCOE降低的對應關系。參照電站的LCOE是14.42歐分/kwh，CAPEX從參考電站的成本降低2.75%后，實現LCOE降至14.07歐分/kwh，降幅1.5%。而如果提高7.5%的運行效率，則可以使LCOE降低至13.41歐分/kwh左右，降幅6.98%。

                                        圖1：數據來源：CSPTODAY研報


　　更有意義的結果是，如果將CAPEX降低和效率提升兩個方面綜合起來進行分析，如圖2，提升1.5%的效率，降低1.65%的CAPEX，可以實現LCOE降低2.91%，達到14歐分/kwh。如果提升4.5%的效率，降低2.2的CAPEX，可以實現LCOE降低6.16%，達到13.53歐分/kwh左右。

                                       圖2：數據來源：CSPTODAY研報


　　從此可以看出，邊際變化越大，結果也越理想。最為理想的情景是實現CAPEX降低2.75%，效率增加7.5%。這將可以幫助光熱發電實現9.23%的LCOE削減，達到13.1歐分/kwh。

結論

　　在實現CSP成本降低75%的SunShot規劃目標下，S-CO?的應用預期可以幫助實現10%左右的成本削減。Turchi指出：“我們現在討論的這一項目僅僅是SunShot計劃實施的一步，我們無法期望在3年內完成所有目標。我相信DOE已經設定了一個目標，激勵光熱發電產業的研發生態，光熱發電行業也將致力于實現變革，實現突破，使光熱發電在能源產業中占據重要地位。為達到SunShot的規劃目標，各種影響因素我們都需要考慮到，電力系統效率的提升和光場系統的成本降低是降低LCOE最重要的兩個方向，但我們還應注意一些細節，如熱量接收器的維護和儲熱系統的效率提升和壽命提升，即便我們在更高的層面上進行突破，這些細節上的因素我們也要考慮到。”

　　如果期待太陽能熱發電產業在LCOE削減方面一夜之間實現重大突破，結果一定是失望的。LCOE削減不是一朝之功，采取二氧化碳超臨界布雷頓循環發電等類似的變革性技術將大大助力光熱發電及早邁向平價上網。我們目前需要做的，就是將此類新技術盡快實現工業化應用。
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