Bloom Energy Japan:革新业务——工业用固体氧化物燃料电池(Bloom能源服务器)的介绍

摘   要:Bloom能源服务器是一种新型分布式发电机,可在客户现场生产清洁、可靠、价格合理的电力。燃料电池是通过清洁的电化学过程将燃料高效转化为电能的设备。Bloom能源服务器由多个模块组成,可确保200/250/300kW功率的系统总输出。这意味着可以在不中断整个系统的情况下对单个模块进行维护。本文介绍了Bloom能源服务器的系统概况及特性。

关键字:固体氧化物燃料电池(SOFC)、业务连续性计划(BCP)、液化天然气(LNG)、分布式电源、分布式能源系统

1、前言

近来,“分布式能源系统”一词备受关注。2014年日本内阁会议决定的“能源基本计划”中,提出“利用蓄电池和燃料电池技术等扩大分布式能源系统的普及”。2016年,日本经济产业省基于该“能源基本计划”的内容,制定了“能源创新战略”,其中,“分布式能源系统”作为新型能源系统备受瞩目。但是分布式电源仍存在许多问题。

众所周知,用作分布式电源的燃气轮机发电机和柴油发电机等的发电效率(30%~40%)与电力公司拥有的大型集中式燃气轮机发电机的发电效率(超过40%)相比稍逊一筹。通常,通过应用可以同时使用电力以及利用废热的热电联产系统,综合效率可以提高到80~90%左右,实现能源的有效利用。

然而,尽管热电联产系统的综合效率优异,但是仅在对供热有较高需求的地方才能充分发挥该系统的高综合效率。因此,对于仅需使用电力,而对废热利用无特别需求的消费者而言,热电联产系统有时无法实现理论上的综合效率。

与之相比,Bloom Energy Japan的创新型燃料电池Bloom能源服务器通过内部循环发电过程中产生的热量并加以利用,成功地将发电效率提高到60%以上(初始值)。此外,Bloom能源服务器全年365天、全天24小时采用远程监控系统,以便在设备出现故障时保持监控状态,因此可以根据客户的使用状况提出最佳的维护时间。

本文将介绍一种新型分布式电源——Bloom能源服务器,以及其在日本的安装示例。

2、关于Bloom能源服务器

Bloom能源服务器的设计概念并非旨在通过独立运行而为目标设备提供100%的用电量,而是以Bloom能源服务器和电网电力并用为基础。具体而言,利用发电效率高的Bloom能源服务器来提供可全天使用的基本负荷电源,并用电网电力电网电力来补充需求变动的部分。

Bloom能源服务器具有连接模块型外壳结构,由4个发电模块(约50kW/l模块)、1个并网逆变器、1个独立运行逆变器、1个脱硫模块、1个备用空模块,共计8个模块构成一个200kW燃料电池发电系统单元。

在维护方面,无需同时停止所有发电模块即可对单个模块进行维护,因此能够确保整个系统电力的持续供应。

此外,由发电模块产生的电力分为两部分,一部分经由并网逆变器从电网电力向通常负荷供给,另一部分通过独立运行逆变器直接供给重要负荷。由于这两个逆变器模块中安装了多个盒式逆变器,可提供足够冗余,系统完全停机的风险很小,因此是高度可靠的发电系统。

3、活用于BCP

燃气轮机发电机、柴油发动机发电机等分布式电源通常被用作应急电源,在无法使用电网电力时发挥作用,因此运行的可靠性十分重要。在数据中心和医院等停电时必须确保电力供应的地方,通常会将多台发电机和UPS(Uninterruptible Power System:不间断电源)组合起来,以便即使一台应急电源出现故障也可以维持运转。如上所述,考虑到重要负荷,Bloom能源服务器的设备本身也具有冗余设计,因此尽管它是常规电源,但也可以用作应急电源。

此外,除了作为发电系统的冗余性之外,Bloom能源服务器的燃料还由抗灾性强的中压燃气管提供。普通的应急发电机需要燃料储罐等,但是Bloom能源服务器直接从中压燃气管接收气体,因此即使在发生灾害而无法补给燃料的情况下,运行时间也没有限制。

中压燃气管是普通家用低压燃气管分流前的管道,焊接后非常坚固。据报道,即使在东日本大地震期间,许多地方都停止了低压气体的供应,中压燃气管也没有受到影响,因此可以认为即使发生大规模灾害,中压燃气管的燃气供给也不会停止。由于Bloom能源服务器本身的可靠性以及通过耐震的中压燃气管的燃料供给,该Bloom能源服务器可用作受灾时能稳定运行的新型电源BCP(Business Continuity Planning,业务连续性计划)。

4、商业•工业用途的案例

目前,美国已引入了超500台300MW以上的Bloom能源服务器,而日本尚处于导入初期。截至2020年7月,日本国内共引入8台能源服务器,总功率为2750kW,用于呼叫中心、服务器机房、工厂的生产设备、冷冻·冷藏设备等在电网电力出现故障的情况下必须确保供电的地方。

4.1 大阪府中央批发市场的案例

大阪府中央批发市场(茨木市宫岛,见图1)安装了1200kW(200kW x 6单元)的Bloom能源服务器,并于2015年3月9日开始运行,是日本最大的SOFC燃料电池运行实例。

批发市场担负着在紧急情况下向周围地区供应食物的重要责任,因此在受灾导致停电的情况下,确保市场中大型冷冻和冷藏设施的电源供应成为重要课题。2014年7月底,作为更新应急发电机时的新解决方案,批发市场进行了使用新能源设备的低碳·分布式电源引进示范项目的公开招标,最终决定引入符合低碳·分布式电源条件的Bloom能源服务器。

此外,批发市场内的大型冷冻和冷藏设备为了支持大阪府的食品物流,需要全年365天、全天24小时无休工作,因此Bloom能源服务器可用作基本负荷电源的功能非常符合使用要求。而且,在环境方面,用电产生的二氧化碳排放量与过去相比削减了35.7%(2015年),这使其成为有助于地方政府推行环保政策的发电设施。特别是在2018年6月18日发生的大阪北部地震中,批发市场距震源只有1公里,尽管地震烈度在6级左右,但发电完全没有受到影响,证实了上述通过耐震的中压燃气管进行燃料供给以及系统的高可靠性。

图1 Bloom能源服务器的引入例

(输出1200kW,大阪府中央批发市场)

4.2 富士通先端科技·熊谷服务解决方案中心的案例

如何与城市燃气管道连接是引入Bloom能源服务器时面临的课题之一。在城市地区,气体管道通常埋在设施附近,很容易连接,但是在郊区,附近可能没有燃气管道,由此导致一些引入项目搁置。

2020年1月31日开设的富士通先端科技·熊谷服务解决方案中心(图2)成为日本国内第三个不使用城市燃气管道,而是利用可现场供应天然气的LNG卫星提供燃料运行的案例。

针对富士通先端科技·熊谷服务解决方案中心提供的面向流通业和金融机构的服务,通过全年365天、全天24小时连续供电,有望在节省能源和减少二氧化碳排放的同时有效供给年用电总量的50%以上。

图2  Bloom能源服务器的引入例

(输出250kW,富士通先端科技·熊谷服务解决方案中心)

4.3 横滨市政府新政府大楼的案例

作为市政府提出的减少二氧化碳排放量工作的一环,横滨市于2020年5月17日开始在新政府大楼(横滨市中区,见图3)运行200kW的Bloom能源服务器。服务器安装在议会大楼的8楼,预计将提供新政府大楼所需年电力消耗量的10%左右。此外,该服务器在停电时可以为新政府大楼的一部分功能供电,并且有望用作在受灾时既可以继续维持行政功能又可以改善环境的解决方案。

5、结论

全球范围内关于可持续发展的措施不断扩大,但有望作为清洁能源在未来发展的商业•工业用燃料电池仍然存在许多问题。

虽然在性能方面其已经超过了传统的应急发电机,但尤其是在成本方面,预计还需一段时间才能实现电网平价。

因此,为了广泛普及,不仅要从单纯的电力供给角度出发,更重要的是,还应通过向客户提供附加价值(例如本文所述电力的BCP措施等)来使引入更有意义。

随着导入扩大→成本降低→导入再扩大的良性循环的达成,整个燃料电池行业将呈现新景象。


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