譯者按:氫能是全球能源轉型與發展的新趨勢,被譽為21世紀最有前途的能源之一。我國氫能產業的商業化步伐正在不斷加快,一些地方和能源企業紛紛布局氫能產業與應用項目。但是我們對氫能的認知多局限于氫氣儲運與氫燃料電池等方面,對氫氣燃燒發電領域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,以期引發行業更多有益的思考。
中國航發燃機一直致力于氫能的開發與利用,憑借燃氣輪機與航空發動機技術同源的優勢,實現了航空發動機燃燒技術和知識積累向燃氣輪機的轉移。AGT-2、AGT-12、AGT-25等多個自主燃氣輪機型號已實現擴散燃燒方式的富氫燃料發電應用,部分混氫燃燒發電項目的氫濃度最高達到了60%。目前,公司正在開展預混燃燒方式的富氫燃料干式低排放燃燒技術的開發,這也被國際能源巨頭視為氫能工業化、規模化利用的主流路徑。總體來看,中國航發燃機正為氫能大規模商業化利用儲備技術,已具備開展零碳排放燃氣輪機產品研制的基礎。
以下為譯文:
為什么氫燃料發電廠"將在能源轉型中扮演重要角色"
西門子能源(Siemens Energy)和Equinor的高管認為,如果不燃燒清潔的氫能進行發電,電力系統的深度脫碳是不可能實現的。2021年7月29日10:38GMT更新2021年7月30日0:49GMT由Leigh Collins
乍一看,清潔氫能發電廠的概念似乎荒謬至極。為什么會有人用可再生能源制造綠色氫能,之后再燃燒氫能來發電?效率低于40%,每10千瓦時的風能或太陽能提供的電力不到4千瓦時。
為什么用碳捕獲和儲存(CCS)技術從天然氣中制取藍氫——加上甲烷改造和壓縮/液化、運輸和儲存難以處理的氫氣而產生的所有額外費用——當你可以在現有的燃氣電廠中加入CCS技術時?
然而,西門子能源(Siemens energy)、Equinor和蘇格蘭公用事業公司(SSE)等大型能源公司認為,氫能發電廠的前景光明。為什么?
綠氫發電廠
德國西門子能源公司(Siemens Energy)去年從母公司剝離出來,向客戶提供氫能發電廠解決方案。西門子能源公司氫能發電銷售副總裁Erik Zindel表示:“如果將可再生能源轉化為氫能并重新電氣化,總循環效率不到40%,顯然,只有將氫能用作長期儲存和對各種可再生能源的補償時,才有意義。”
“如果想幾天、幾周、幾個月,甚至幾個季度地儲存電力——或者想從夏天到冬天都使用太陽能,亦或者想從秋天到夏天都使用風能發電——就需要以化學方式儲存電力。”
“在冬季,當兩三周都沒有陽光和風時,你仍然需要(清潔的)電力——因此你需要氫能。”
Erik Zindel認為,大規模儲氫也將有助于減少刮風/晴天期間風能和太陽能的削減。他解釋道:“一旦你進入綠色氫能領域,就可以增加你希望在電網中構建的可再生能源數量,因為你可以利用多余的可再生能源(否則,這些可再生能源將因無法出售而被削減)。”
因此,通過電解(利用電力將水分子分解成氫氣和氧氣),并且能夠將多余的能量儲存為氫能,你確實可以讓可再生能源在電力系統中占據重要地位。反之,氫能很快就會受到限制,因為會有太多的多余的能量需要傾倒。但是,一旦你可以利用這種過剩的電力,你就可以將可再生能源成倍(兩倍、三倍甚至四倍)增加。
藍氫發電廠
挪威石油巨頭Equinor和蘇格蘭公用事業公司SSE最近宣布了一項計劃,計劃最快10年內在英格蘭東北部的Keadby建造一座全新的1.8GW氫燃料發電站。兩家公司表示,這家電廠會用低碳藍氫提供動力,并用于支持可變可再生能源,比如海上風能。那么,為什么藍氫發電比使用CCS技術的天然氣發電更有優勢?
Equinor低碳技術副總裁Henrik Solgaard Andersen認為,在燃燒前階段捕獲碳比在燃氣發電廠燃燒后捕獲碳更具成本效益。“在[燃氣發電站]的煙氣中,壓力非常低,二氧化碳濃度非常低…所以這非常困難,”他解釋道。“這就像大海撈針。你捕獲的二氧化碳越多,捕獲剩余二氧化碳的可能性就越小。最后,無法捕獲。”
“在藍氫電廠里,二氧化碳壓力高。因此,最初有很多“針頭”,這就是為什么與后燃燒電廠相比,藍氫電廠可以獲得更多二氧化碳的原因:壓力非常高。所以可以降到[97-98%]。”
在一個不到50%運行時間的燃氣發電廠獲取二氧化碳的成本就更低了——就像Keadby備用發電廠那樣。Andersen說:“無論運行時間長短,后燃燒方式(即采用CCS技術的天然氣)電廠必須準備好在每次運行時捕獲90%以上的(二氧化碳)。”“我們認為,所有這些啟動和停止都意味著捕獲裝置升溫和冷卻次數過多,所以無法捕獲足夠多的二氧化碳。”他補充道:“以前沒有一家機構利用CCS技術運營過可調度發電廠。沒人真正知道能源效率和捕獲率。因此,存在一些不確定性。”
高成本
在Equinor和SSE計劃建造一座全新的氫能發電廠的同時,西門子能源公司正以現有化石氣體發電廠的改造以及新的“氫就緒”聯合循環燃氣發電設施的建設為其商業模式的基礎。
然而,Zindel指出,盡管將一座天然氣發電廠改造成氫能發電廠“相當便宜”,但如今使用清潔氫能發電“在經濟上沒有意義。”他解釋說,天然氣比綠氫、藍氫甚至有增無減的灰氫便宜得多。據估計,綠氫的成本在每千克2.50~6美元之間,藍氫的成本在每千克1.50~4美元之間。如果清潔氫氣的成本是每公斤2歐元(合2.35美元),能夠使其與化石燃料具有成本競爭力,“需要每噸二氧化碳價格達到200~250英鎊,因此任重而道遠”。目前,歐盟公布的碳價格約為每噸53歐元。清潔氫能要到2035年才能用于大規模發電,部分原因是在運輸和重工業等其他行業使用氫能更具成本效益。
他表示:“我們預計,氫能電氣化將在2035年或2040年大規模實現——那時我們真的必須對電力行業進行深度脫碳。”
Equinor表示,其Keadby氫能設施只有在“適當的政策機制到位的情況下”,換句話說,如果它得到大量補貼,才能繼續進行。
Andersen說:“我們的市場失靈了。”我們正在研究一種商業模式,這種商業模式可能更適合某種差異合同。因此,承購商將為天然氣買單,而藍氫的生產商將得到某種補貼[額外成本]。
為什么是現在?
如果西門子能源不相信電力行業將在15~20年內使用氫能發電,那么它今天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,現在必須開展工作,我們的計劃是具備10年內燃燒氫濃度達到100%的能力——因此,當我們獲得第一個真正的商業項目時,它已經可用了。”“我們預計,在完全脫碳的情況下,聯合循環發電廠將成為提供剩余負荷的主要技術選擇,這些聯合循環的運行時間只有20~30%,不會再多了,因為系統中將有足夠的風能和太陽能。”“其次——也是更重要的一點——我們的客戶現在需要建造天然氣發電廠。所以,如果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,屆時我們應完全脫碳”“這意味著,從現在起將要建造的每座新的(燃氣)發電廠都很可能在未來進行改造,以燃燒氫能。因此,我們今天就為這些發電廠做好準備是非常重要的。這就是我們所說的"氫就緒概念"。因此,我們要確保我們擁有正確的材料,選擇正確的電氣設備,[并且]我們有足夠的空間來提供額外的系統,這些系統將在電廠轉換為氫能燃料時使用。”“我們看到,至少在歐洲,幾乎每個客戶都在談論準備為他們的新發電廠使用氫能。而且,世界其他地區現在也非常積極地減少碳排放。這是我們行業中一個非常重要的話題。”“他們看到核電站在其商業和技術生命周期結束前很久就已停止運行——他們現在也看到燃煤發電站也被要求離網……他們對資產擱淺感到厭煩,因此他們希望現在的聯合循環能為未來提供保護傘。”
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,能源密度更低,會導致氫脆現象。因此,要使燃氣發電廠能夠使用氫能,需要做出諸多改變。
Zindel解釋道:“體積密度降低主要對所有上游設備(燃氣輪機、燃氣系統)有所影響,需要增加燃料管道直徑。”“因此,如果你知道發電廠將來要使用氫能,你需要直徑更大的燃料管道。如果你想改造,你可能沒有空間[用于更寬的管道]。”
他解釋說,“如果燃氣輪機需要提升中軸線以容納更寬的管道,"會被立即質疑改造的經濟可行性。”
其他變化可能包括新的電氣和氣體檢測系統,以及——根據監管要求——增加選擇性催化還原(SCR)系統,以減少NOx排放(氫在富含氮氣的空氣中燃燒時產生的溫室氣體)。
但最顯著的變化是調整燃氣輪機以燃燒氫氣,這將需要改進燃燒室和新的燃燒器。
Zindel說:“與天然氣相比,氫氣作為燃料,其反應率要高得多,火焰速度也更高。"這意味著火焰離燃燒器越來越近,有可能將發生回火現象。因此,需要新的防閃回燃燒器設計。同時,火焰溫度稍高,意味著NOx排放量將會增加。”
“然后一切都是關于……當燃燒室的空氣流量已經很低時,如何在不損壞燃燒器的情況下啟動或關閉設備?”
“這或多或少是我們面臨的研發挑戰——設計一個穩定、安全的燃燒器來燃燒氫氣,同時使NOx排放在可控范圍內。”
“不可完全消除,但可顯著減少。”
Zindel說,需要統籌分析所有溫室氣體。因此,不僅是減少二氧化碳和NOx排放,還涉及減少甲烷——一種強大的溫室氣體——在使用天然氣生成藍氫時,會向上游排放甲烷。
為什么不使用燃料電池呢?
如果燃燒氫氣總是會產生一些氮氧化物和溫室氣體,為什么不使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相比,燃料電池是一項有競爭力的技術——但最終……出于經濟考慮,”Zindel。
“如果你看看效率,今天的聯合循環技術…效率水平為63~64%。這已經高于一般的燃料電池——效率在60%以內。”
“此外,聯合循環發電廠的投資成本也比(類似規模的)燃料電池便宜得多。(燃料電池)實現與聯合循環的能源成本平等化還需要數年。”
“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燃燒氫氣的可能性,這將進一步減少所需的投資。”
“所有這些都說明,聯合循環技術是未來氫能電氣化的主要技術。燃料電池雖然是一項極具吸引力的技術,具有顯著的改進潛力,但它的主要應用領域是移動和小島電網,而這些地方聯合循環技術并不可行。”
試點工廠
Zindel解釋說,西門子能源公司目前正在建設和調試三座試驗性發電廠,這些發電廠要么燃燒100%氫氣,要么燃燒富含氫燃料。
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——都將使用煉油廠的副產品氫氣為這些煉油廠提供電力和熱量,濃度分別為27%和60%。這兩家工廠都在調試中。
但可以說,西門子能源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使用100%的綠氫,為位于法國中西部的一家造紙廠提供電力和熱量。
Zindel說:“對于我們新的燃燒器技術來說,這是一個很好的示范項目,它能夠(燃燒)天然氣和氫氣之間的任何燃料組合,我們預計到2023年,氫燃料濃度將達到100%,同時降低NOx排放。這將是我們在該領域的第一個真正的示范項目。”
現有設施將由包括 Engie Solutions、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計劃提供資金。
“非常非常大的但是”
Zindel表示,雖然西門子能源公司預計2035年之前不會大規模建設氫電廠,但有"一個非常非常大的但是"。
他解釋道:“立法需要采用脫碳路線——而且要快。"各國需要強制脫碳。與在下屆選舉中的3000萬選民相比,對50家大公司實施脫碳目標要容易得多。”
因此,電廠運營商面臨的風險是,他們可能會更快地實現脫碳目標(相比預計)。他補充道:“重要的是要明白,監管引領變革,因為目前這些技術都沒有比現有技術更便宜。目前沒有一家公司會改用氫能。”“無論是通過補貼或碳稅,提高二氧化碳證書價格,還是通過限制排放或其他措施,真正實施這一轉變的法規,遲早會到來。”“然后就取決于整個行業的表現了。”
責任編輯: 李穎