引用本文格式 蔣三平 程一兵 陳錦芳 等 現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)新能源高溫固體氧化物燃料電池發(fā)展展望 J 農(nóng)業(yè)工程 2023 13 11 46 53 DOI 10 19998 ki 2095 1795 2023 11 008 JIANG Sanping CHENG Yibing CHEN Jinfang et al Prospects of high temperature solid oxide fuel cells as renewable energy solutions to modern facility agriculture J Agricultural Engineering 2023 13 11 46 53 現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)新能源高溫固體氧化物燃料電池發(fā)展展望 蔣三平1 程一兵1 陳錦芳2 程興國3 1 先進能源科學與技術(shù)廣東省實驗室佛山仙湖實驗室 廣東 佛山 528216 2 廣東佛燃科技有限公司 廣東 佛山 528000 3 神州數(shù)碼信息服務股份有限公司 北京 100044 摘 要 高溫固體氧化物燃料電池 solid oxide fuel cells SOFC 是前沿的清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一 也是可為設(shè)施農(nóng)業(yè)能 源同時提供所需的熱 電和二氧化碳氣肥理想的能源裝置 從現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗和SOFC熱電聯(lián)供特征方面 系統(tǒng)闡明 了SOFC能源系統(tǒng)和設(shè)施農(nóng)業(yè)耦合的可行性及廣泛的應用前景 性能穩(wěn)定 低成本的SOFC系統(tǒng)可以從根本上解決我國 農(nóng)業(yè)大棚的能耗高 熱效率低 環(huán)境污染等嚴重問題 同時為SOFC產(chǎn)業(yè)提供巨大的市場 關(guān)鍵詞 設(shè)施農(nóng)業(yè) 溫室技術(shù) 高能耗 固體氧化物燃料電池 熱電聯(lián)供 中圖分類號 S21 文獻標識碼 A 文章編號 2095 1795 2023 11 0046 08 DOI 10 19998 ki 2095 1795 2023 11 008 Prospects of High Temperature Solid Oxide Fuel Cells as Renewable Energy Solutions to Modern Facility Agriculture JIANG Sanping1 CHENG Yibing1 CHEN Jinfang2 CHENG Xingguo3 1 Foshan Xianhu Laboratory of Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory Foshan Guangdong 528216 China 2 Guangdong Foran Technology Co Ltd Foshan Guangdong 528000 China 3 Shenzhou Digital Information Service Co Ltd Beijing 100044 China Abstract High temperature solid oxide fuel cells SOFC is one of efficient energy conversion technologies and is also a technology which can simultaneously provide electricity heat and CO2 gas fertilizer to meet energy requirement of facility agriculture Herein based on characteristics of modern facility energy requirement and SOFC cogeneration feasibility and broad application prospects of coupling SOFC energy technology and facility agriculture systems were expounded in details Stable reliable and low cost SOFC sys tems can fundamentally solve serious problems of high energy cost low thermal efficiency and environmental pollution of China s agri culture greenhouse technologies and at the same time provide a huge market for SOFC industry Keywords facility agriculture greenhouse technology high energy consumption solid oxide fuel cells electricity heat cogeneration 0 引言 我國耕地面積1 28億hm2 人均耕地面積不到世 界平均水平的40 耕地是農(nóng)業(yè)的根基 發(fā)展現(xiàn)代農(nóng) 業(yè) 設(shè)施農(nóng)業(yè)和園區(qū)農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具 有重要意義 農(nóng)業(yè)大棚數(shù)量龐大 我國已經(jīng)成為世界 設(shè)施農(nóng)業(yè)大國 1 我國農(nóng)業(yè)大棚類型可大致分為傳統(tǒng) 燃煤大棚 智能溫室大棚和光伏大棚 農(nóng)業(yè)大棚的升 溫方式主要包括明火升溫 熱風爐加溫 電熱線升溫 生態(tài)保溫 水暖加溫和熱水袋加溫等方式 其中前3 種方式耗能較高 后3種方式升溫效果不明顯 在所 有升溫方式中 采用日光保溫和燃煤明火升溫的農(nóng)業(yè) 大棚約占全部的80 在有天然氣供給的地方 天然 氣亦用于溫室冬季的加溫 但天然氣的供給和價格受 國際市場波動的影響較大 而且隨著化石原料的枯竭 大氣污染 酸雨 霧霾等 的加劇 以及全球氣候變 暖對二氧化碳等溫室氣體的限排規(guī)定執(zhí)行 傳統(tǒng)的煤 炭和石油資源越來越不滿足當今環(huán)保節(jié)約型社會經(jīng)濟 發(fā)展的需要 近年來 可再生能源 如太陽能 地熱 能 生物質(zhì)能 在一些節(jié)能示范工程中已取代了傳統(tǒng) 收稿日期 2023 04 14 修回日期 2023 06 13 基金項目 國家自然科學基金項目 91963209 作者簡介 蔣三平 博士 佛山仙湖實驗室特聘專家 主要從事電化學能源與高溫固體氧化物燃料電池研究 E mail s jiang 第 13 卷 第 11 期農(nóng) 業(yè) 工 程Vol 13 No 11 2023 年 11 月AGRICULTURAL ENGINEERING Nov 2023 的化石能源作為溫室的新型加溫熱源 但其投資成本 大 運行費用高 供暖可靠性差的特點限制了其廣泛 應用 2 我國農(nóng)業(yè)大棚的供能方式普遍存在成本高 熱效率低 污染環(huán)境嚴重等問題 溫室加熱技術(shù)能夠有效調(diào)控室內(nèi)溫度和濕度 對 農(nóng)作物品質(zhì) 產(chǎn)量及培育周期具有重要影響 在我國 得到大力發(fā)展 但溫室屬于一種高能耗的抗逆性生產(chǎn) 設(shè)施 其能源消耗不容忽視 在我國西部和北方 全 年一半以上時間需要對大棚溫室制熱和保溫 制冷需 求主要在夏季 一般溫室的加溫能耗占溫室生產(chǎn)成本 的30 40 高緯度地區(qū)的連棟溫室能耗甚至占溫室 成本的50 60 3 以楊凌示范區(qū)旱區(qū)特色設(shè)施農(nóng)業(yè) 科技示范區(qū)項目連棟溫棚為例 4 1萬m2的用電總負 荷設(shè)計2 526 kW 熱負荷設(shè)計6 900 kW 熱負荷指標 0 168 kW m2 冷負荷設(shè)計12 700 kW及冷負荷指標 0 308 kW m2 高能耗費用是制約溫室 現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè) 推廣和發(fā)展的瓶頸和一個關(guān)鍵因素 在植物生長中二 氧化碳是必需的氣肥 設(shè)施蔬菜在密閉條件下二氧化 碳不足 直接導致蔬菜質(zhì)量和產(chǎn)量下降 姚益平等 4 研究表明 增施二氧化碳能夠大幅提高黃瓜產(chǎn)量 降 低黃瓜單位產(chǎn)量能耗 是增加溫室作物產(chǎn)量和提高能 耗利用率的有效手段 因此 人工補充二氧化碳是實 現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施 3種主要類型的農(nóng)業(yè)大棚都無 法通過單一設(shè)備同時滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)能源所需的供熱 供電 制冷 水控 光控等 和供二氧化碳氣肥的需 求 溫室育種在種子領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用 根 據(jù) 2019年中國種業(yè)發(fā)展報告 2018年全國進口農(nóng) 作物種子7 200余萬kg 進口額4 75億美元 其中蔬 菜種子進口額2 28億美元 種子是糧食安全的關(guān)鍵 加速培育國產(chǎn)種子 實現(xiàn)進口替代是當務之急 加代 育種溫室對于種業(yè)快速發(fā)展至關(guān)重要 如溫室小麥加 代技術(shù) 就是用溫室培育小麥縮短育種周期的常用小 麥育種方法 在北方氣候條件下 大田一年只能種一 季冬小麥 而育成一個小麥品種需要8 10年 通過 溫室小麥加代技術(shù)可以縮短小麥育種進程3 5年 目 前 其主要解決的痛點是能耗問題 尤其是在夏季室 外溫度達到35 C以上 僅憑單一的自然通風方式已經(jīng) 不能滿足設(shè)施種植和養(yǎng)殖的需要 標準的種苗連棟智 能溫室普遍配置濕簾風機 高端加代育種溫室使用空 氣能熱泵 地源熱泵等降溫系統(tǒng) 可在一定程度內(nèi)將 溫度有效控制在適宜范圍 設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)過一系列的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后可產(chǎn)出秸稈 牲畜糞便等農(nóng)業(yè)生物質(zhì) 其中一部分可回歸農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 增強土壤質(zhì)量 而多余部分是必須經(jīng)過裂解等方式進 行處理 我國也是畜禽養(yǎng)殖大國 2015 年大牲畜養(yǎng)殖 量數(shù)12 195 74 萬頭 2020 年畜禽的糞便產(chǎn)生量約 42 44億t 5 氨氣是牲畜糞便沼氣池處理主要污染氣體 之一 畜禽糞便污染已居農(nóng)業(yè)源污染之首 6 7 隨著現(xiàn) 代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的發(fā)展 高污染 高能耗的用能模式已 經(jīng)很難滿足經(jīng)濟社會的發(fā)展要求 在碳達峰 碳中和 戰(zhàn)略目標和新能源的時代背景下 急需實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 與新能源的協(xié)同高效可持續(xù)發(fā)展 逐步實現(xiàn)新能源與 農(nóng)業(yè)的深層次耦合優(yōu)化 提高能源的利用率 以及糧 食 蔬菜的產(chǎn)量與質(zhì)量 提高種質(zhì)資源的安全性和解 決種子卡脖子的問題 減少消耗化石能源所帶來的環(huán) 境污染問題 對維持糧食安全 能源安全和環(huán)境安全 具有重要意義 因此 迫切需要找到一種能夠提供電 熱和二氧化碳氣肥以滿足現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)能源需求的環(huán) 境友好 成本低 還可以利用農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生的沼氣 和生物燃料的全新能源系統(tǒng) 1 固體氧化物燃料電池 固體氧化物燃料電池 solid oxide fuel cells SOFC 是全固態(tài)陶瓷結(jié)構(gòu)的將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能 的電化學發(fā)電裝置 SOFC突出的優(yōu)點 一是不受卡諾 循環(huán)的限制 能量轉(zhuǎn)換效率顯著高于內(nèi)燃機 發(fā)電過 程產(chǎn)生的高質(zhì)量余熱使熱電聯(lián)供 CHP 效率高達 75 80 二是全固態(tài)結(jié)構(gòu) 不存在電解液的腐蝕和 滲漏問題 三是運行溫度為高溫 600 900 C 電 極反應動力學快 無須使用貴金屬催化劑 四是燃料 適用性廣 可以使用氫氣 天然氣 煤氣 生物質(zhì)裂 解氣和沼氣等作為燃料 SOFC由燃料電極 電解質(zhì)和 空氣電極組成 典型的SOFC包括致密的氧化釔 穩(wěn) 定的氧化鋯 YSZ 電解質(zhì) 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鍶摻雜的多 孔錳酸鑭 LSM 或鍶摻雜的鈷鐵酸鑭 LSCF 陰極 以及多孔氧化鎳的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯 Ni YSZ 金屬 陶瓷陽極 如圖1所示 電解質(zhì)需要足夠致密以避免 燃料與空氣直接接觸 電極的多孔結(jié)構(gòu)有助于將燃料 和氧化劑及時傳輸?shù)椒磻稽c 并及時轉(zhuǎn)移反應產(chǎn) 物 以常見的氫氣為燃料的燃料電池為例說明SOFC 中的電極反應 陰極以空氣中的氧氣為氧化劑 氧分 子 O2 獲得電子后被電離為氧離子 氧離子隨后占 據(jù)電解質(zhì)中的氧空位變成晶格氧 氧離子通過氧空位 穿過致密的YSZ電解質(zhì)到達陽極 與陽極上的氫分子 H2 發(fā)生反應生成H2O 同時向外電路釋放兩個電 子 因此 整個反應是來自陰極的氧通過電解質(zhì)上的 氧空位進行遷移 在陽極側(cè)與氫結(jié)合形成水 同時 電子經(jīng)由外電路從陽極 負極 流向陰極 正極 做 電功 產(chǎn)生功率輸出 因此 SOFC中的總反應可以表 述為 8 蔣三平 等 現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)新能源高溫固體氧化物燃料電池發(fā)展展望 47 H2 陽極 12 O2 陰極 H2O 陽極 1 反應中的正向箭頭表示SOFC的放電模式 高溫 SOFC是完全可以可逆運行的 SOFC的可逆運行是固 體氧化物電解池 通過電解水蒸氣 二氧化碳獲得氫氣 一氧化碳或合成氣 氫氣和一氧化碳的混合氣 可 將太陽能 風能等可再生能源存儲于燃料中 電解所 需的能量可由熱能提供 降低了電能的需求 因此電 解的電效率高達90 相比低溫水電解具有熱力學和 動力學上的雙重優(yōu)勢 9 由于SOFC的高效率 燃料選擇靈活性和模塊性 即電效率不受系統(tǒng)功率輸出大小的影響 SOFC特 別適用于固定和分布式電源分布式發(fā)電 應用于家庭 數(shù)據(jù)中心和園區(qū)分布式發(fā)電 以及城市廚房垃圾沼氣 發(fā)電系統(tǒng)等 如圖2所示 盡管SOFC具有高效率和 顯著減少溫室氣體排放的優(yōu)點 但SOFC在此類應用 中產(chǎn)生的分布式發(fā)電是與電網(wǎng)的電競爭 在價格 設(shè) 備成本和長期運行穩(wěn)定性方面還沒有表現(xiàn)出顯著的優(yōu) 勢 而且在分布式發(fā)電方面 SOFC系統(tǒng)并不是唯一的 還有其他選擇也可以提供穩(wěn)定的分布式發(fā)電 如低溫 聚合物電解質(zhì)膜燃料電池 柴油機動力系統(tǒng)等 圖2 SOFC分布式發(fā)電應用場景 Fig 2 Application scenarios of SOFC distributed power generation 2 SOFC能源系統(tǒng)與現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)深度耦合 SOFC是一種在高溫 600 900 C 下直接將儲 存在燃料和氧化劑中的化學能高效 環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化 成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置 其具有超低的污染物 排放和高的熱力學效率 是幾種燃料電池中 理論能 量密度最高的一種 以氫氣 天然氣為燃料時 發(fā)電 效率可達 50 65 熱效率可達20 熱電聯(lián)供效 率可達 70 80 以天然氣 沼氣為燃料時 其產(chǎn)生 的二氧化碳可作為植物光合作用生長的氣肥 SOFC是 當今前沿的清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一 也是可為設(shè)施農(nóng) 業(yè)能源同時提供所需的熱 電聯(lián)供和二氧化碳氣肥理 想的能源裝置 設(shè)施農(nóng)業(yè)在生物質(zhì)能原料生產(chǎn)方面具有獨特優(yōu)勢 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后產(chǎn)生的秸稈 廢棄物 牲畜糞便等生物質(zhì) 可轉(zhuǎn)成裂解氣 沼氣 沼氣的主要成分有50 80 甲烷 CH4 20 40 二氧化碳 CO2 0 5 氮氣 N2 1 氫氣 H2 20 0 06 根據(jù)式 2 式 4 計算得 Q1 4 700 kW Q2 4 200 kW Q3 120 kW 因此 QR 9 020 kW 考慮到 供熱設(shè)備的經(jīng)濟負荷范圍 一般都在鍋爐額定負荷的 75 90 按照 80 取值 供熱總負荷 11 200 kW 根據(jù)實踐經(jīng)驗 關(guān)中地區(qū)的連棟溫室冷負荷為熱負荷 的1 8倍 溫室供冷總負荷20 200 kW 目前 真空熱水鍋爐采用天然氣供能 根據(jù)鍋爐 的運行時間和運行負荷計算天然氣最大耗氣量約319 萬m3 年 1 77萬m3 d 鑒于國內(nèi)天然氣價格不斷攀升 同時冬季生產(chǎn)用天然氣和民用天然氣供應沖突 天然 氣持續(xù)穩(wěn)定供給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨巨大挑戰(zhàn) 溫室的冷 熱 電負荷和碳需求如表2所示 表 2 冷熱電碳需求 Tab 2 Demand of cold heat electricity and carbon 項目 數(shù)值 冷負荷 kW h 1 20 200 熱負荷 kW h 1 11 200 電負荷 kW h 1 3 500 二氧化碳需求 t d 1 1 濃度 800 1 500 10 6 園區(qū)計劃采用有機固廢裂解氣和SOFC等先進技 術(shù) 解決生產(chǎn)所需的冷 熱 電和碳 降低生產(chǎn)成本 假定SOFC的能量轉(zhuǎn)化效率80 以上 直接發(fā)電效率 60 熱電聯(lián)產(chǎn)綜合能量效率80 壽命40 000 h 項目采用有機固廢裂解 SOFC滿足冷 熱 電和碳的 供給 按照電負荷 冷負荷配置能力 項目主要考慮3 個方面 一是按照最大負荷配置 不需要外部能源即 可滿足需要 從而節(jié)約運行成本 二是無論制冷還是 供熱 電的效率最高 因此當余熱不能滿足供熱的需 求時 用電驅(qū)動空氣能熱泵滿足供熱 供冷利用溴化 鋰空調(diào)實現(xiàn) 不足部分用電驅(qū)動空氣能熱泵制冷滿足 三是非供熱 供冷時段的余熱可回收發(fā)電 因量不大 余熱回收發(fā)電收入在計算盈虧平衡時忽略不計 有機固廢裂解工藝采用高溫裂解工藝 涉及垃圾 分揀 脫水 破碎 裂解制氣 冷卻 過濾 副產(chǎn)物 制碳棒 燃料氣發(fā)電 其上下游生產(chǎn)裝置關(guān)系如圖5 所示 圖5 高溫裂解工藝與生產(chǎn)裝置關(guān)系 Fig 5 Relationship between high temperature cracking process and production equipment 有機固廢分選 破碎后通過膠帶輸送至裂解爐的 主反應爐 高溫裂解爐 原料在完全密閉 1 250 C 高溫 負壓條件下裂解 釋放出H2 CO CO2 CH4 N2 及碳2烴類等氣體 形成高氫可燃混合氣體 每噸 有機固廢裂解生產(chǎn)1 000 m3高氫可燃混合氣體 氣體 組分如表3所示 基于以上條件 評估了滿足5萬m2連棟溫室的最 大用能配置為冷負荷與電負荷之和 因此需要配置 SOFC發(fā)電設(shè)備23 700 kW 用冷 熱 電和碳5年的 綜合收益 計算出保證盈虧平衡條件下 該場景可以 承受的SOFC設(shè)備的樂觀采購價格和保守采購價格 模型一 SOFC設(shè)備樂觀采購價格 由表4可知 樂觀估計采用有機固廢裂解 SOFC 為5萬m2連棟溫室供應冷 熱 電 碳 5年總收入 6 5億元 2022年綠電交易價格平均0 5元 kW h 5年售電收入4 7億元 占總收入的72 同時 模型 50 農(nóng)業(yè)工程生物環(huán)境與能源 考慮了捕集二氧化碳凈收入0 15元 kg 碳匯收入50 元 t 固廢處理凈收入50元 t 該模型下SOFC的盈虧 平衡采購價格27 391元 kW 即運營5萬m2的連棟溫 室 能夠承擔2 7萬元 kW的SOFC設(shè)備投入 同時保 證其番茄種植的正常利潤 模型二 SOFC設(shè)備保守價格 由表5可知 保守估計采用有機固廢裂解 SOFC 為5萬m2連棟溫室供應冷熱電碳 5年總收入4 3億 元 2022年標桿電價平均0 39元 kW h 5年累 計售電收入3 7億元 占總收入的85 模型未考慮碳 匯收入 固廢處理凈收入 主要原因是CCER尚未啟動 碳匯無法變現(xiàn) 有 機固廢和農(nóng)林廢棄物收集費用會逐年增加 捕集二氧 化碳凈收入按照0 05元 kg凈收入計算 主要考慮隨著 雙碳政策的實施 農(nóng)用二氧化碳的價格會越來越低 該模型下SOFC的盈虧平衡采購價格18 272元 kW 即 運營5萬m2的連棟溫室 項目能夠承擔1 8萬元 kW 的SOFC設(shè)備投入 同時保證其番茄種植的正常利潤 綜上所述 在標準連棟溫室場景下 采用有機固 廢裂解 SOFC供應冷熱電碳 其可承受的SOFC設(shè)備 采購價格1 8萬 2 7萬元 kW 3 2 種苗植物工廠可行性分析 植物工廠是對光 溫 濕 二氧化碳及營養(yǎng)等生 長環(huán)境條件全智能控制的植物高效穩(wěn)定生產(chǎn)系統(tǒng) 其 生產(chǎn)出的植物品質(zhì)優(yōu) 產(chǎn)量高 周期短 污染少及效 益高 代表未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向 植物工廠需要計算機和多種傳感器對環(huán)境進行精 確控制 測量和反饋 能根據(jù)不同的植物設(shè)置溫度 濕度 光照和二氧化碳濃度等 可實時測量植物的生 長和生理狀態(tài) 生成數(shù)據(jù)并反饋至控制系統(tǒng) 實現(xiàn)對 環(huán)境高精度 智能化控制 我國2013年正式把植物工 廠列入國家863計劃 表 3 裂解氣組分 Tab 3 Composition of cracking gas 名稱 體積分數(shù) 氫氣 35 08 一氧化碳 30 51 二氧化碳 16 20 甲烷 11 67 碳 2烴類 3 77 碳 3烴類 0 80 碳 4烴類 0 30 碳 5烴類 0 12 氮氣 1 55 氧氣 0 注 項目的高氫可燃混合氣體檢測機構(gòu)為中國石油化工股份有 限公司北京燕山分公司質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 報告編號為20150513 檢驗方法為Q SH3155 S01 014 根據(jù)報告數(shù)據(jù)計算燃料氣的熱值為 16 68 kJ m3 表 4 冷 熱 電 碳5年樂觀收入與盈虧平衡采購價 Tab 4 Optimistic 5 year revenue and breakeven purchase prices for cooling heating electricity and carbon 項目 價格 備注 綠電上網(wǎng)電價 元 kW h 1 0 5 2022年綠電市場交易價格 總功率 kW 23 700 溫室最大負荷是同時供電供冷 每小時合計發(fā) 電 20 200 kW 3 500 kW 23 700 kW 售電收入 萬元 47 400 5年運 行 40 000 h發(fā) 電 9 48億 kW h 供熱收入 萬元 2 370 每 年 150 d 平均每 天 16 h 熱量收 費 0 25元 kW h 供冷收入 萬元 1 593 每 年 90 d 平均每 天 16 h 冷能收 費 0 4元 kW h 溴化鋰機組熱力系 數(shù) 0 7 二氧化碳收入 萬元 7 110 發(fā)電產(chǎn)生二氧化 碳 0 5 kg kW h 尾氣捕集二氧化碳凈收 入 0 15元 kg 碳匯收入 萬元 4 740 發(fā)電產(chǎn)生碳 匯 1 kg kW h 碳匯收 入 0 05元 kg 固廢處理凈收入 萬元 1 705 需要有機固 廢 8 53 t h 處理有機固廢凈收 入 50元 t 5年合計收入 億元 6 5 冷 熱 電 碳和固廢處理凈收入 盈虧平衡 元 kW 1 27 391 使 用 23 700 kW功率 的 SOFC SOFC采購 價 27 391元 kW時 能夠?qū)崿F(xiàn)連棟溫室場景的盈 虧平衡 表 5 冷 熱 電 碳5年保守收入與盈虧平衡采購價 Tab 5 Conservative 5 year revenue and breakeven purchase prices for cooling heating electricity and carbon 項目 規(guī)格 金額 備注 上網(wǎng)電價 元 kW h 1 0 39 2022年煤電標桿電價 總功率 kW 23 700 園區(qū)最大負荷是同時供電供冷 每小時合計發(fā) 電 20 200 kW 3 500 kW 23 700 kW 售電收入 萬元 36 972 5年運 行 40 000 h發(fā) 電 9 48億 kW h 供熱收入 萬元 2 370 每 年 150 d 平均每 天 16 h 熱量收 費 0 25元 kW h 供冷收入 萬元 1 593 每 年 90 d 平均每 天 16 h 冷能收 費 0 4元 kW h 溴化鋰機組熱力系 數(shù) 0 7 二氧化碳收入 萬元 2 370 發(fā)電產(chǎn)生二氧化 碳 0 5 kg kW h 尾氣捕集二氧化碳凈收 入 0 05元 kg 5年收入 億元 4 3 冷 熱 電和碳凈收入 盈虧平衡 元 kW 1 18 272 使 用 23 700 kW功率 的 SOFC SOFC采購 價 19 272元 kW 能夠?qū)崿F(xiàn)連棟溫室場景的盈 虧平衡 蔣三平 等 現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)新能源高溫固體氧化物燃料電池發(fā)展展望 51 植物工廠重點采用新的基因技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和 人工智能技術(shù) 培育更適宜人工栽培的植物品種 營 造更適合植物品種生長的工廠環(huán)境 建立更節(jié)省人力 資源的生產(chǎn)流程 提高植物工廠農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭能 力 植物工廠對于種苗的批量培育 加代育種方面都 能發(fā)揮更大作用 目前 全球植物工廠最大的商業(yè)化瓶頸是能源成 本高 這直接導致只有少數(shù)場景能夠?qū)崿F(xiàn)盈虧平衡 據(jù)實地調(diào)研 超過1萬m2的植物工廠 建設(shè)費用在 1萬元 m2以上 能耗125 W m2 其中84 為照明及智 能設(shè)備用電 16 為空調(diào)用能 同時 植物工廠需要 精準調(diào)控 必然采集的數(shù)據(jù)越來越多 其對算力能耗 的需求也會越來越大 因此 植物工廠的能耗結(jié)構(gòu)非 常適合SOFC 有機固廢裂解提供冷熱電碳一體化方 案 以楊凌規(guī)劃中的5萬m2植物工廠為例 其電負荷 達到6 000 kW 配置相應SOFC即可保證植物工廠持 續(xù) 穩(wěn)定供電 同時 SOFC發(fā)熱用于植物工廠供冷或 供暖 余熱可以發(fā)電自用或上網(wǎng) 如果保守估計 SOFC設(shè)備的采購價未來10年內(nèi)平均1萬元 kW 電成 本可以降到0 31元 kW h 如表6所示 如果根據(jù)低溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池降本速度 樂觀估計10年中SOFC的采購價平均可達到5 000元 kW 屆時該植物工廠電成本為0 19元 kW h 如 表7所示 SOFC的價格關(guān)系植物工廠的運營成本 進而關(guān)乎 植物工廠商業(yè)模式的可行性 SOFC 有機固廢裂解模 式是解決植物工廠痛點的有效方案 隨著SOFC技術(shù) 越來越成熟 植物工廠在種業(yè)大面積應用必將給我國 種子產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新動力 3 3 應用市場及前景 根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所 2019年發(fā)布的 我國設(shè)施園藝裝備發(fā)展現(xiàn)狀和建議 數(shù)據(jù) 全國大中拱棚以上的設(shè)施面積達370萬hm2 占 世界設(shè)施園藝面積的80 連棟溫室面積99 9萬hm2 占全國設(shè)施面積的27 連棟玻璃溫室被稱為裝備水 平最高的溫室 我國有9 000 hm2 僅次于荷蘭 10 800 hm2 位居世界第2位 如果按照100 W m2負荷配 置SOFC SOFC的售價1萬元 kW 僅連棟玻璃溫室 的SOFC市場規(guī)模就達到900萬kW 900億元 如果 擴展到全部連棟溫室 SOFC市場規(guī)模將達90億kW 9萬億元 隨著國家種業(yè) 設(shè)施農(nóng)業(yè)的跨越式發(fā)展 垂 直農(nóng)場 植物工廠等新模式興起 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應用 SOFC全方位解決生產(chǎn)用冷熱電碳的方案潛力巨大 4 結(jié)束語 農(nóng)業(yè)新技術(shù)不斷發(fā)展 農(nóng)業(yè)大棚不僅僅需求調(diào)控 溫度 濕度 二氧化碳濃度等也需要調(diào)控 以生產(chǎn)出 高附加值的經(jīng)濟作物 SOFC技術(shù)完全滿足農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn) 階段急需解決的問題 其具有高的能量利用率 持續(xù) 電能輸出 同時反應產(chǎn)生水和二氧化碳 以及SOFC 系統(tǒng)的余熱 可以通過排放系統(tǒng)精準調(diào)控大棚環(huán)境中 的濕度 二氧化碳濃度和溫度 對環(huán)境要求苛刻的無 土栽培技術(shù) 持續(xù)日照作物 優(yōu)良種子培育等均可廣 泛推廣 初步估算表明 如果SOFC系統(tǒng)的采購價能 在1萬 2萬元 kW 連續(xù)使用壽命達5年4萬h 表 6 保守估計植物工廠用電成本 Tab 6 Conservative estimation of electricity cost for plant factories 項目 價格 備注 總功率 kW 6 000 按照電負荷需求配 置 SOFC SOFC投資 萬元 12 000 5年壽命 10年投資 裂解及提純設(shè)備投資 萬元 3 000 10年使用壽命 其他成本 0 人工等其他成本由有機固廢處理收入 捕集二氧化碳凈收入沖抵 忽略計算 總成本 萬元 15 000 10年發(fā)電量 億 kW h 4 8 8萬 h壽命 電成本 元 kW h 1 0 31 表 7 樂觀估計植物工廠度電成本 Tab 7 Optimistic estimation of electricity cost for plant factories 項目 規(guī)格 金額 備注 總功率 kW 6 000 按照用電負荷需求配 置 SOFC SOFC投資 萬元 6 000 5年壽命 10年投資 裂解及提純設(shè)備投資 萬元 3 000 10年使用壽命 其他成本 0 人工等其他成本由有機固廢處理收入 捕集二氧化碳凈收入沖抵 忽略計算 總成本 萬元 9 000 10年發(fā)電量 億 kW h 4 8 8萬 h壽命 電成本 元 kW h 1 0 19 52 農(nóng)業(yè)工程生物環(huán)境與能源 SOFC系統(tǒng)將可以商業(yè)意義上廣泛用于智能連棟溫室 種苗植物工廠等現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域 對于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè) 性能穩(wěn)定 可靠 低成本的 SOFC能源系統(tǒng)可以根本上解決我國農(nóng)業(yè)大棚的高能耗 成本 低熱效率和環(huán)境污染等問題 同時為SOFC產(chǎn) 業(yè)提供一個巨大的市場 參考文獻 姚益平 蘇高利 羅衛(wèi)紅 等 基于光熱資源的中國溫室氣候區(qū) 劃與能耗估算系統(tǒng)建立 J 中國農(nóng)業(yè)科學 2011 44 5 898 908 YAO Yiping SU Gaoli LUO Weihong et al A photo thermal re sources based system for greenhouse climate zonation and energy con sumption estimate in China J Scientia Agricultura Silica 2011 44 5 898 908 1 孫先鵬 鄒志榮 趙康 等 太陽能蓄熱聯(lián)合空氣源熱泵的溫室 加熱試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2015 31 22 215 221 SUN Xianpeng ZOU Zhirong ZHAO Kang et al Experiment on heating effect in greenhouse by solar combined with air source hear pump J Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineer ing 2015 31 22 215 221 2 吳飛青 溫室冬季熱環(huán)境數(shù)值分析與實驗研究 D 杭州 浙江 工業(yè)大學 2010 WU Feiqing Numerical analysis and experimental research of heated glass greenhouse thermal environment in Winter D Hangzhou Zhejiang University of Technology 2010 3 姚益平 戴劍鋒 羅衛(wèi)紅 等 中國連棟溫室黃瓜周年生產(chǎn)能耗 分布模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2011 27 1 273 279 YAO Yiping DAI Jianfeng LUO Weihong et al Simulation ana 4 lysis of distribution of energy consumption for year round cucumber pro duction in multi span greenhouse in China J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2011 27 1 273 279 王森 焦瑞峰 馬艷華 等 我國畜禽糞便綜合利用途徑研究 J 河南科技學院學報 自然科學版 2017 45 1 20 24 WANG Sen JIAO Ruifeng MA Yanhua et al The comprehensive utilization of livestock and poulty manure in China J Journal of Hen an University of Science and Technology Natural Science Edition 2017 45 1 20 24 5 BOUWMAN A F LEE D S ASMAN W A H et al A global high resolution emission inventory for ammonia J Global Biogeochemical Cycles 1997 11 4 561 587 6 劉波 劉筱 韓宇捷 等 規(guī)模化養(yǎng)豬場典型沼氣工程各排放節(jié) 點氨排放特征研究 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2018 34 23 179 185 LIU Bo LIU Xiao HAN Yujie et al Study on emission character istics of ammonia from anaerobic digesters in industrial pig farm J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2018 34 23 179 185 7 JIANG S P Solid state electrochemistry and solid oxide fuel cells status and future prospects J Electrochemical Energy Reviews 2022 5 S1 21 8 HE S ZOU Y CHEN K et al A critical review of key materials and issues in solid oxide cells J Interdisciplinary Materials 2023 2 1 111 136 9 付學謙 周亞中 孫宏斌 等 園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng) 概念 特 征與應用價值 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2023 43 3 87 10 MORI T WEPF R JIANG S P Future prospects for the design of state of the art solid oxide fuel cells J JPhys Energy 2020 DOI 10 1088 2515 7655 ab8f05 11 蔣三平 等 現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)新能源高溫固體氧化物燃料電池發(fā)展展望 53