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氫燃料發電廠將在能源轉型中扮演重要角色

來源:全球起重機械網??人氣:3669
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     譯者按:氫能是全球動力轉型與發展的新趨勢,被譽為21世紀最有前途的動力之一。我國氫能工業的商業化腳步正在不斷加速,一些當地和動力企業紛繁布局氫能工業與運用項目。可是咱們對氫能的認知多局限于氫氣儲運與氫燃料電池等方面,對氫氣焚燒發電范疇沒有給予足夠的重視,基于此,中國航發燃機編譯了這篇文章,以期引發職業更多有益的思考。

    中國航發燃機一直致力于氫能的開發與運用,憑仗燃氣輪機與航空發動機技能同源的優勢,完成了航空發動機焚燒技能和常識堆集向燃氣輪機的搬運。AGT-2、AGT-12、AGT-25等多個自主燃氣輪機型號已完成分散焚燒方法的富氫燃料發電運用,部分混氫焚燒發電項目的氫濃度最高到達了60%。現在,公司正在展開預混焚燒方法的富氫燃料干式低排放焚燒技能的開發,這也被國際動力巨子視為氫能工業化、規模化運用的干流途徑。總體來看,中國航發燃機正為氫能大規模商業化運用儲備技能,已具備展開零碳排放燃氣輪機產品研制的根底。

    以下為譯文:

    為什么氫燃料發電廠"將在動力轉型中扮演重要人物"

    西門子動力(SiemensEnergy)和Equinor的高管以為,假如不焚燒清潔的氫能進行發電,電力體系的深度脫碳是不或許完成的。2021年7月29日10:38GMT更新2021年7月30日0:49GMT由LeighCollins

    乍一看,清潔氫能發電廠的概念似乎荒唐至極。為什么會有人用可再生動力制造綠色氫能,之后再焚燒氫能來發電?功率低于40%,每10千瓦時的風能或太陽能供給的電力不到4千瓦時。
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    為什么用碳捕獲和貯存(CCS)技能從天然氣中制取藍氫——加上甲烷改造和壓縮/液化、運輸和貯存難以處理的氫氣而發生的一切額定費用——當你可以在現有的燃氣電廠中加入CCS技能時?

    可是,西門子動力(Siemensenergy)、Equinor和蘇格蘭公用事業公司(SSE)等大型動力公司以為,氫能發電廠的遠景光明。為什么?

    綠氫發電廠

    德國西門子動力公司(SiemensEnergy)上一年從母公司剝離出來,向客戶供給氫能發電廠解決方案。西門子動力公司氫能發電銷售副總裁ErikZindel表明:“假如將可再生動力轉化為氫能并重新電氣化,總循環功率不到40%,明顯,只要將氫能用作長期貯存和對各種可再生動力的補償時,才有含義。”

    “假如想幾天、幾周、幾個月,乃至幾個季度地貯存電力——或者想從夏天到冬天都運用太陽能,亦或者想從秋天到夏天都運用風能發電——就需求以化學方法貯存電力。”

    “在冬天,當兩三周都沒有陽光和風時,你依然需求(清潔的)電力——因而你需求氫能。”

    ErikZindel以為,大規模儲氫也將有助于削減刮風/晴天期間風能和太陽能的削減。他解說道:“一旦你進入綠色氫能范疇,就可以添加你期望在電網中構建的可再生動力數量,由于你可以運用剩下的可再生動力(不然,這些可再生動力將因無法出售而被削減)。”

    因而,經過電解(運用電力將水分子分解成氫氣和氧氣),并且可以將剩下的能量貯存為氫能,你確實可以讓可再生動力在電力體系中占有重要位置。反之,氫能很快就會受到限制,由于會有太多的剩下的能量需求傾倒。可是,一旦你可以運用這種過剩的電力,你就可以將可再生動力成倍(兩倍、三倍乃至四倍)添加。

    藍氫發電廠

    挪威石油巨子Equinor和蘇格蘭公用事業公司SSE最近宣告了一項方案,方案最快10年內涵英格蘭東北部的Keadby制作一座全新的1.8GW氫燃料發電站。兩家公司表明,這家電廠會用低碳藍氫供給動力,并用于支撐可變可再生動力,比方海上風能。那么,為什么藍氫發電比運用CCS技能的天然氣發電更有優勢?

    Equinor低碳技能副總裁HenrikSolgaardAndersen以為,在焚燒前階段捕獲碳比在燃氣發電廠焚燒后捕獲碳更具本錢效益。“在[燃氣發電站]的煙氣中,壓力十分低,二氧化碳濃度十分低…所以這十分困難,”他解說道。“這就像大海撈針。你捕獲的二氧化碳越多,捕獲剩下二氧化碳的或許性就越小。最終,無法捕獲。”

    “在藍氫電廠里,二氧化碳壓力高。因而,開始有很多“針頭”,這便是為什么與后焚燒電廠比較,藍氫電廠可以取得更多二氧化碳的原因:壓力十分高。所以可以降到[97-98%]。”

    在一個不到50%運行時刻的燃氣發電廠獲取二氧化碳的本錢就更低了——就像Keadby備用發電廠那樣。Andersen說:“不管運行時刻長短,后焚燒方法(即選用CCS技能的天然氣)電廠有必要預備好在每次運行時捕獲90%以上的(二氧化碳)。”“咱們以為,一切這些發動和中止都意味著捕獲裝置升溫文冷卻次數過多,所以無法捕獲足夠多的二氧化碳。”他彌補道:“曾經沒有一家機構運用CCS技能運營過可調度發電廠。沒人真正知道動力功率和捕獲率。因而,存在一些不確定性。”

    高本錢

    在Equinor和SSE方案制作一座全新的氫能發電廠的一起,西門子動力公司正以現有化石氣體發電廠的改造以及新的“氫安排妥當”聯合循環燃氣發電設備的建設為其商業模式的根底。

    可是,Zindel指出,盡管將一座天然氣發電廠改形成氫能發電廠“恰當廉價”,但如今運用清潔氫能發電“在經濟上沒有含義。”他解說說,天然氣比綠氫、藍氫乃至有增無減的灰氫廉價得多。據估計,綠氫的本錢在每千克2.50~6美元之間,藍氫的本錢在每千克1.50~4美元之間。假如清潔氫氣的本錢是每公斤2歐元(合2.35美元),可以使其與化石燃料具有本錢競爭力,“需求每噸二氧化碳價格到達200~250英鎊,因而任重而道遠”。現在,歐盟發布的碳價格約為每噸53歐元。清潔氫能要到2035年才干用于大規模發電,部分原因是在運輸和重工業等其他職業運用氫能更具本錢效益。

    他表明:“咱們估計,氫能電氣化將在2035年或2040年大規模完成——那時咱們真的有必要對電力職業進行深度脫碳。”

    Equinor表明,其Keadby氫能設備只要在“恰當的方針機制到位的情況下”,換句話說,假如它得到大量補助,才干繼續進行。

    Andersen說:“咱們的市場失靈了。”咱們正在研究一種商業模式,這種商業模式或許更適合某種差異合同。因而,承購商將為天然氣買單,而藍氫的生產商將得到某種補助[額定本錢]。

    為什么是現在?

    假如西門子動力不相信電力職業將在15~20年內運用氫能發電,那么它今日又為什么要營銷氫燃料發電解決方案呢?

    Zindel說:“原因很多。其一,這是未來趨勢,現在有必要展開工作,咱們的方案是具備10年內焚燒氫濃度到達100%的才能——因而,當咱們取得第一個真正的商業項目時,它現已可用了。”“咱們估計,在徹底脫碳的情況下,聯合循環發電廠將成為供給剩下負荷的首要技能挑選,這些聯合循環的運行時刻只要20~30%,不會再多了,由于體系中將有足夠的風能和太陽能。”“其次——也是更重要的一點——咱們的客戶現在需求制作天然氣發電廠。所以,假如你有一個天然氣發電廠正在建設,假設在2023~2024年投入商業運營,這意味著,這些發電廠在本世紀50年代仍將運營,屆時咱們應徹底脫碳”“這意味著,從現在起即將制作的每座新的(燃氣)發電廠都很或許在未來進行改造,以焚燒氫能。因而,咱們今日就為這些發電廠做好預備是十分重要的。這便是咱們所說的"氫安排妥當概念"。因而,咱們要保證咱們具有正確的材料,挑選正確的電氣設備,[并且]咱們有足夠的空間來供給額定的體系,這些體系將在電廠轉換為氫能燃料時運用。”“咱們看到,至少在歐洲,幾乎每個客戶都在談論預備為他們的新發電廠運用氫能。并且,世界其他地區現在也十分積極地削減碳排放。這是咱們職業中一個十分重要的論題。”“他們看到核電站在其商業和技能生命周期結束前好久就已中止運行——他們現在也看到燃煤發電站也被要求離網……他們對財物停滯感到厭煩,因而他們期望現在的聯合循環能為未來供給保護傘。”

    如何將燃氣發電廠轉化為氫能發電廠?

    氫氣與天然氣特性不同,例如分子更小,動力密度更低,會導致氫脆現象。因而,要使燃氣發電廠可以運用氫能,需求做出許多改變。

    Zindel解說道:“體積密度下降首要對一切上游設備(燃氣輪機、燃氣體系)有所影響,需求添加燃料管道直徑。”“因而,假如你知道發電廠將來要運用氫能,你需求直徑更大的燃料管道。假如你想改造,你或許沒有空間[用于更寬的管道]。”

    他解說說,“假如燃氣輪機需求進步中軸線以容納更寬的管道,"會被當即質疑改造的經濟可行性。”

    其他改變或許包括新的電氣和氣體檢測體系,以及——根據監管要求——添加挑選性催化復原(SCR)體系,以削減NOx排放(氫在富含氮氣的空氣中焚燒時發生的溫室氣體)。

    但最明顯的改變是調整燃氣輪機以焚燒氫氣,這將需求改善焚燒室和新的焚燒器。

    Zindel說:“與天然氣比較,氫氣作為燃料,其反應率要高得多,火焰速度也更高。"這意味著火焰離焚燒器越來越近,有或許將發生回火現象。因而,需求新的防閃回焚燒器規劃。一起,火焰溫度稍高,意味著NOx排放量將會添加。”

    “然后一切都是關于……當焚燒室的空氣流量現已很低時,如安在不損壞焚燒器的情況下發動或關閉設備?”

    “這或多或少是咱們面臨的研制應戰——規劃一個穩定、安全的焚燒器來焚燒氫氣,一起使NOx排放在可控范圍內。”

    “不行徹底消除,但可明顯削減。”

    Zindel說,需求統籌分析一切溫室氣體。因而,不僅是削減二氧化碳和NOx排放,還觸及削減甲烷——一種強壯的溫室氣體——在運用天然氣生成藍氫時,會向上游排放甲烷。

    為什么不運用燃料電池呢?

    假如焚燒氫氣總是會發生一些氮氧化物和溫室氣體,為什么不運用無排放的燃料電池將氫能轉化為電能呢?

    “與燃氣輪機聯合循環比較,燃料電池是一項有競爭力的技能——但最終……出于經濟考慮,”Zindel。

    “假如你看看功率,今日的聯合循環技能…功率水平為63~64%。這現已高于一般的燃料電池——功率在60%以內。”

    “此外,聯合循環發電廠的出資本錢也比(相似規模的)燃料電池廉價得多。(燃料電池)完成與聯合循環的動力本錢平等化還需求數年。”

    “然后你要考慮燃氣輪機具有更高的燃料靈活性,以及改造現有的天然氣聯合循環以焚燒氫氣的或許性,這將進一步削減所需的出資。”

    “一切這些都闡明,聯合循環技能是未來氫能電氣化的首要技能。燃料電池雖然是一項極具吸引力的技能,具有明顯的改善潛力,但它的首要運用范疇是移動和小島電網,而這些當地聯合循環技能并不行行。”

    試點工廠

    Zindel解說說,西門子動力公司現在正在建設和調試三座試驗性發電廠,這些發電廠要么焚燒100%氫氣,要么焚燒富含氫燃料。

    兩個新的商業熱電聯產工廠——一個在俄羅斯西部500MW,一個在巴西圣保羅州80MW——都將運用煉油廠的副產品氫氣為這些煉油廠供給電力和熱量,濃度分別為27%和60%。這兩家工廠都在調試中。

    但可以說,西門子動力公司最重要的試點是法國的12MW的Hyflexpower項目,該項目將在現有的燃氣熱電廠運用100%的綠氫,為位于法國中西部的一家造紙廠供給電力和熱量。

    Zindel說:“關于咱們新的焚燒器技能來說,這是一個很好的演示項目,它可以(焚燒)天然氣和氫氣之間的任何燃料組合,咱們估計到2023年,氫燃料濃度將到達100%,一起下降NOx排放。這將是咱們在該范疇的第一個真正的演示項目。”

    現有設備將由包括EngieSolutions、德國航空航天中心和四所歐洲大學在內的財團轉換為氫能,并由歐盟委員會的地平線2020方案供給資金。

    “十分十分大的可是”

    Zindel表明,雖然西門子動力公司估計2035年之前不會大規模建設氫電廠,但有"一個十分十分大的可是"。

    他解說道:“立法需求選用脫碳路線——并且要快。"各國需求強制脫碳。與在下屆選舉中的3000萬選民比較,對50家大公司實施脫碳方針要簡單得多。”

    因而,電廠運營商面臨的風險是,他們或許會更快地完成脫碳方針(比較估計)。他彌補道:“重要的是要理解,監管引領變革,由于現在這些技能都沒有比現有技能更廉價。現在沒有一家公司會改用氫能。”“不管是經過補助或碳稅,進步二氧化碳證書價格,還是經過限制排放或其他辦法,真正實施這一改變的法規,遲早會到來。”“然后就取決于整個職業的體現了。”中國航發燃機

    標簽:

    氫燃料發電廠

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