2020 年 4 月， Energies 期刊发表了一篇由加拿大安大略理工大学（UOIT）研究人员撰写的文章，题为“热电联产型核与可再生能源小型混合能源系统的技术经济评价”。文章介绍了 5 种不同的热电联产型（CHP）混合能源系统（HES），分别是：①传统的小型化石燃料热力发电系统（FFTG）；②小型可再生能源（RES）系统；③基于 FFTG 与 RES 的小型混合能源系统；④小型核能系统；⑤基于核与RES 的小型混合能源系统（N-R MHES）。研究人员对上述系统的净现值费用（NPC）、能源成本（COE）和温室气体（GHG）排放这三种技术经济关键性能指标（KPI）进行了比较分析，并对影响系统的不同变量进行了敏感性分析。结果表明，N-R MHES可能是最适合脱碳和能源可持续发展的系统。

    1 NPC和COE分析

    表 1 列出了 5 种热电联产型能源系统在并网和离网模式下的 NPC 和 COE。

    在并网模式下，系统①“传统小型 FFTG”的 NPC 和 COE 均最高，而系统④“小型核能系统”和系统⑤“N-R MHES”的 NPC和 COE 最低。系统①在并网模式下，总电力需求的 99.99%是从电网购买的。此外，FFTG 的锅炉中使用了大量的柴油燃料（161 438升/年）来满足热负荷，从而增加了系统的总成本。因此，系统①在并网模式下的 NPC 和 COE 均很高。由于较低的资金成本和运营成本，系统④在并网模式下的 NPC 最低。系统⑤在并网模式下，由于微型模块堆（MMR）和 RES 的组合会产生大量的剩余电能，这些多余的能量出售给电网可以获得大量收入。此外，MMR 产生的热能足以满足热需求，不需要额外的燃料来满足热负荷。因此，系统⑤在并网模式下的 COE 最低。在并网模式下，系统⑤的 NPC 略高于系统④的 NPC，这是因为系统⑤中使用不同RES 设备（例如风轮机、水轮机和光伏面板）的初始成本较高。

    在离网模式下，系统①的 NPC 和 COE 均最高，系统④的 NPC和 COE 均最低。需要指出的是，由于系统②“小型 RES 系统”没有提供任何可行解，这就意味着该系统不支持本文的电力需求研究。系统①在离网模式下，发电机组通过燃烧燃料来提供总电力负荷，这显著增加了系统成本。但是，此时锅炉燃料成本较低，因为锅炉仅提供热需求的 2.57%。系统④在离网模式下，由于仅由 MMR 组成，并且没有导致较高初始成本的 RES 设备，因此 NPC 和 COE 均最低。

    此外，大量多余的电能被锅炉热负荷系统的复合控制器用来提供热负荷。由于在离网模式下系统④不需要运行锅炉，所以无需额外的燃料成本来满足热量供应需求，因此系统④的NPC 和 COE 均最低。尽管在离网模式下系统⑤产生的多余电能（6 210 660 千瓦时/年）和热能（9 765 760 千瓦时/年）均高于系统④产生的多余电能（4 193 123 千瓦时/年）和热能（7 748 223千瓦时/年），但是在离网模式下不能将多余的电能出售给电网，所以此时系统⑤的 NPC 和 COE 仍然高于系统④的 NPC 和 COE。

    2 GHG  排放量分析

    表 2 列出了 5 种热电联产型能源系统在并网和离网模式下的 GHG 排放量。

    研究人员分析了 5 种类型的 GHG 排放量： 、NO 和颗粒物，其中颗粒物包括烟灰、烟雾和液滴。在并网模式下，系统①中所有类型的 GHG 排放量均最高，因为在系统①中99.99%的电力需求是由电网提供的，并且可通过燃烧天然气来发电。对于系统④和系统⑤来说，不管是在并网模式还是在离网模式下，都没有燃烧化石燃料，仅靠 MMR 就满足了供电和供热需求，因此这两种系统的 GHG 排放量均为零。需要指出的是，这项研究中仅仅涉及电力生产过程的 GHG 排放量分析，并没有考虑场址建设和设备制造（比如 PV 面板）过程中的碳足迹。令人惊讶的是，系统②“小型 RES 系统”和系统③“基于 FFTG与 RES 的小型 HES”在并网模式下的 GHG 排放量也很大。通常认为这两种系统的 GHG 排放量应该是最小的，因为它们都是基于 RES 的并网 HES，且只有在提供热能时需要燃烧化石燃料。导致这种结果主要是因为仅靠系统②或系统③无法满足电网的供电需求，只能再通过天然气发电来进行补充，从而产生大量 GHG 排放量。

    在离网模式下，系统①由于发电机组和锅炉中柴油的燃烧，仍然会产生最大的 GHG 排放量。系统④和系统⑤显示为 GHG 零排放，这是因为全部供电和供热需求均可通过 MMR、RES 以及MMR 的余热得到满足。

    3  敏感性分析
 
    由于这项技术经济研究考虑了多个变量，故上述讨论不能明确得出一个结论。为此，研究还对折现率、通货膨胀率和项目寿期进行了敏感性分析，以确定其对系统性能的影响，如表 3 所示。

    从表 3 中可以看出，在贴现率、通货膨胀率和项目寿期的不同取值条件下，系统②在离网模式下均是不可行的。在离网模式下，系统①和系统④的项目寿期延长至 60 年或者 100 年、系统③的项目寿期延长至 100 年时，将不能满足所选定的电力和热负荷需求。所有系统出现不可行性的情况都是由于装机容量不足引起的。这是因为供电和供热需求每年都在以一定的百分比增长，而能源装机容量却不增加，因此当前的能源无法充分满足需求。较高的通货膨胀率也对系统的可行性有显著影响，例如，较高的通货膨胀率显著提高了系统①、系统②和系统③的 NPC。但是，系统⑤“N-R MHES”无论是在并网还是离网模式下，无论折旧率、通货膨胀率和项目寿期是高还是低，它都能始终以较低的 NPC 来满足供电和供热需求。

    在较低折现率（3%和 8%）和较短项目寿期（30 年）的情况下，系统④（离网模式）的 NPC 比系统⑤（离网模式）更低，如表 3 中的第 1、4、7、10、13 和 16 种情况。有时候，在较高折现率（10%）和较短项目寿期（30 年）的情况下，系统④（离网模式）的 NPC 也可能会小一些，如表 3 中的第 19、22和 25 种情况。

    在较短项目寿期（30 和 60 年）或较低通货膨胀率（2%和4%）的情况下，系统④（并网模式）的 NPC 在少数情况下可能要比系统⑤（并网模式）的略低，如表 3 中的第 19、20 和 22种情况。但是，在较高项目寿期（60 和 100 年）时，系统⑤总是提供最具经济性的 NPC。

    4  结论

    大型 N-R HES 并不是一个新概念。多个国家正在加强对 N-R HES 的研究和创新。然而，大型核电站具有巨大的风险和需要高昂的资本成本，因此，这项研究提出并评估了 MMR 与 RES 的混合能源系统——N-R MHES。尽管 N-R MHES 取决于当地 RES的可用性，但 N-R MHES 始终能提供基荷电力供应，这使得混合能源系统的弹性和稳定性得到了加强。本研究旨在为 N-R MHES的技术和经济方面提供清晰的思路，研究结果可以总结如下：

   （1）从敏感性分析可以得出结论，N-R MHES 将来可能成为可持续能源解决方案的弹性能源供应来源。N-R MHES 显然有益于可靠能源系统的长期规划。

   （2）就 NPC、COE 和 GHG 排放而言，MMR 可以替代柴油发电机组。基于 RES 的离网能源系统很少有能力或不能充分满足大中型电力需求，但却可能是满足小规模供电和供热需求的有效解决系统。尽管基于 RES 的并网能源系统被大众认为是清洁的，但若它是来自于化石燃料的燃烧，则并不总是一种清洁能源。在满足大型或中型供电需求时，并网 N-R MHES 可能是在COE 方面最具成本效益的解决方案。此外，由于离网 N-R MHES中具有大量可使用的多余电能和热能，因此可能是中型或大型远程工业应用（如海水淡化厂、采矿站和电动汽车充电平台）的较佳选择。N-R MHES 没有 GHG 排放，可以为脱碳方面的项目提供最佳能源解决方案。
      
                                                                                            来源：www.mdpi.com（宋敏娜 倪民子编译）