譯者按:氫能是全球能源轉(zhuǎn)型與發(fā)展的新趨勢(shì),被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的能源之一。我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化步伐正在不斷加快,一些地方和能源企業(yè)紛紛布局氫能產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用項(xiàng)目。但是我們對(duì)氫能的認(rèn)知多局限于氫氣儲(chǔ)運(yùn)與氫燃料電池等方面,對(duì)氫氣燃燒發(fā)電領(lǐng)域沒有給予足夠的重視,基于此,中國(guó)航發(fā)燃機(jī)編譯了這篇文章,以期引發(fā)行業(yè)更多有益的思考。
中國(guó)航發(fā)燃機(jī)一直致力于氫能的開發(fā)與利用,憑借燃?xì)廨啓C(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)同源的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)和知識(shí)積累向燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)移。AGT-2、AGT-12、AGT-25等多個(gè)自主燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)已實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒方式的富氫燃料發(fā)電應(yīng)用,部分混氫燃燒發(fā)電項(xiàng)目的氫濃度最高達(dá)到了60%。目前,公司正在開展預(yù)混燃燒方式的富氫燃料干式低排放燃燒技術(shù)的開發(fā),這也被國(guó)際能源巨頭視為氫能工業(yè)化、規(guī)模化利用的主流路徑??傮w來看,中國(guó)航發(fā)燃機(jī)正為氫能大規(guī)模商業(yè)化利用儲(chǔ)備技術(shù),已具備開展零碳排放燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品研制的基礎(chǔ)。
以下為譯文:
為什么氫燃料發(fā)電廠"將在能源轉(zhuǎn)型中扮演重要角色"
西門子能源(Siemens Energy)和Equinor的高管認(rèn)為,如果不燃燒清潔的氫能進(jìn)行發(fā)電,電力系統(tǒng)的深度脫碳是不可能實(shí)現(xiàn)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(fā)電廠的概念似乎荒謬至極。為什么會(huì)有人用可再生能源制造綠色氫能,之后再燃燒氫能來發(fā)電?效率低于40%,每10千瓦時(shí)的風(fēng)能或太陽能提供的電力不到4千瓦時(shí)。
為什么用碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)技術(shù)從天然氣中制取藍(lán)氫——加上甲烷改造和壓縮/液化、運(yùn)輸和儲(chǔ)存難以處理的氫氣而產(chǎn)生的所有額外費(fèi)用——當(dāng)你可以在現(xiàn)有的燃?xì)怆姀S中加入CCS技術(shù)時(shí)?
然而,西門子能源(Siemens energy)、Equinor和蘇格蘭公用事業(yè)公司(SSE)等大型能源公司認(rèn)為,氫能發(fā)電廠的前景光明。為什么?
綠氫發(fā)電廠
德國(guó)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(fā)電廠解決方案。西門子能源公司氫能發(fā)電銷售副總裁Erik Zindel表示:“如果將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能并重新電氣化,總循環(huán)效率不到40%,顯然,只有將氫能用作長(zhǎng)期儲(chǔ)存和對(duì)各種可再生能源的補(bǔ)償時(shí),才有意義。”
“如果想幾天、幾周、幾個(gè)月,甚至幾個(gè)季度地儲(chǔ)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(fēng)能發(fā)電——就需要以化學(xué)方式儲(chǔ)存電力。”
“在冬季,當(dāng)兩三周都沒有陽光和風(fēng)時(shí),你仍然需要(清潔的)電力——因此你需要?dú)淠堋?rdquo;
Erik Zindel認(rèn)為,大規(guī)模儲(chǔ)氫也將有助于減少刮風(fēng)/晴天期間風(fēng)能和太陽能的削減。他解釋道:“一旦你進(jìn)入綠色氫能領(lǐng)域,就可以增加你希望在電網(wǎng)中構(gòu)建的可再生能源數(shù)量,因?yàn)槟憧梢岳枚嘤嗟目稍偕茉?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?qū)⒍嘤嗟哪芰績(jī)?chǔ)存為氫能,你確實(shí)可以讓可再生能源在電力系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。反之,氫能很快就會(huì)受到限制,因?yàn)闀?huì)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(lán)氫發(fā)電廠
挪威石油巨頭Equinor和蘇格蘭公用事業(yè)公司SSE最近宣布了一項(xiàng)計(jì)劃,計(jì)劃最快10年內(nèi)在英格蘭東北部的Keadby建造一座全新的1.8GW氫燃料發(fā)電站。兩家公司表示,這家電廠會(huì)用低碳藍(lán)氫提供動(dòng)力,并用于支持可變可再生能源,比如海上風(fēng)能。那么,為什么藍(lán)氫發(fā)電比使用CCS技術(shù)的天然氣發(fā)電更有優(yōu)勢(shì)?
Equinor低碳技術(shù)副總裁Henrik Solgaard Andersen認(rèn)為,在燃燒前階段捕獲碳比在燃?xì)獍l(fā)電廠燃燒后捕獲碳更具成本效益。“在[燃?xì)獍l(fā)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(lán)氫電廠里,二氧化碳?jí)毫Ω?。因此,最初有很?ldquo;針頭”,這就是為什么與后燃燒電廠相比,藍(lán)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(gè)不到50%運(yùn)行時(shí)間的燃?xì)獍l(fā)電廠獲取二氧化碳的成本就更低了——就像Keadby備用發(fā)電廠那樣。Andersen說:“無論運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短,后燃燒方式(即采用CCS技術(shù)的天然氣)電廠必須準(zhǔn)備好在每次運(yùn)行時(shí)捕獲90%以上的(二氧化碳)。”“我們認(rèn)為,所有這些啟動(dòng)和停止都意味著捕獲裝置升溫和冷卻次數(shù)過多,所以無法捕獲足夠多的二氧化碳。”他補(bǔ)充道:“以前沒有一家機(jī)構(gòu)利用CCS技術(shù)運(yùn)營(yíng)過可調(diào)度發(fā)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(jì)劃建造一座全新的氫能發(fā)電廠的同時(shí),西門子能源公司正以現(xiàn)有化石氣體發(fā)電廠的改造以及新的“氫就緒”聯(lián)合循環(huán)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施的建設(shè)為其商業(yè)模式的基礎(chǔ)。
然而,Zindel指出,盡管將一座天然氣發(fā)電廠改造成氫能發(fā)電廠“相當(dāng)便宜”,但如今使用清潔氫能發(fā)電“在經(jīng)濟(jì)上沒有意義。”他解釋說,天然氣比綠氫、藍(lán)氫甚至有增無減的灰氫便宜得多。據(jù)估計(jì),綠氫的成本在每千克2.50~6美元之間,藍(lán)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(jìng)爭(zhēng)力,“需要每噸二氧化碳價(jià)格達(dá)到200~250英鎊,因此任重而道遠(yuǎn)”。目前,歐盟公布的碳價(jià)格約為每噸53歐元。清潔氫能要到2035年才能用于大規(guī)模發(fā)電,部分原因是在運(yùn)輸和重工業(yè)等其他行業(yè)使用氫能更具成本效益。
他表示:“我們預(yù)計(jì),氫能電氣化將在2035年或2040年大規(guī)模實(shí)現(xiàn)——那時(shí)我們真的必須對(duì)電力行業(yè)進(jìn)行深度脫碳。”
Equinor表示,其Keadby氫能設(shè)施只有在“適當(dāng)?shù)恼邫C(jī)制到位的情況下”,換句話說,如果它得到大量補(bǔ)貼,才能繼續(xù)進(jìn)行。
Andersen說:“我們的市場(chǎng)失靈了。”我們正在研究一種商業(yè)模式,這種商業(yè)模式可能更適合某種差異合同。因此,承購(gòu)商將為天然氣買單,而藍(lán)氫的生產(chǎn)商將得到某種補(bǔ)貼[額外成本]。
為什么是現(xiàn)在?
如果西門子能源不相信電力行業(yè)將在15~20年內(nèi)使用氫能發(fā)電,那么它今天又為什么要營(yíng)銷氫燃料發(fā)電解決方案呢?
Zindel說:“原因很多。其一,這是未來趨勢(shì),現(xiàn)在必須開展工作,我們的計(jì)劃是具備10年內(nèi)燃燒氫濃度達(dá)到100%的能力——因此,當(dāng)我們獲得第一個(gè)真正的商業(yè)項(xiàng)目時(shí),它已經(jīng)可用了。”“我們預(yù)計(jì),在完全脫碳的情況下,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠將成為提供剩余負(fù)荷的主要技術(shù)選擇,這些聯(lián)合循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間只有20~30%,不會(huì)再多了,因?yàn)橄到y(tǒng)中將有足夠的風(fēng)能和太陽能。”“其次——也是更重要的一點(diǎn)——我們的客戶現(xiàn)在需要建造天然氣發(fā)電廠。所以,如果你有一個(gè)天然氣發(fā)電廠正在建設(shè),假設(shè)在2023~2024年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng),這意味著,這些發(fā)電廠在本世紀(jì)50年代仍將運(yùn)營(yíng),屆時(shí)我們應(yīng)完全脫碳”“這意味著,從現(xiàn)在起將要建造的每座新的(燃?xì)?發(fā)電廠都很可能在未來進(jìn)行改造,以燃燒氫能。因此,我們今天就為這些發(fā)電廠做好準(zhǔn)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(shè)備,[并且]我們有足夠的空間來提供額外的系統(tǒng),這些系統(tǒng)將在電廠轉(zhuǎn)換為氫能燃料時(shí)使用。”“我們看到,至少在歐洲,幾乎每個(gè)客戶都在談?wù)摐?zhǔn)備為他們的新發(fā)電廠使用氫能。而且,世界其他地區(qū)現(xiàn)在也非常積極地減少碳排放。這是我們行業(yè)中一個(gè)非常重要的話題。”“他們看到核電站在其商業(yè)和技術(shù)生命周期結(jié)束前很久就已停止運(yùn)行——他們現(xiàn)在也看到燃煤發(fā)電站也被要求離網(wǎng)……他們對(duì)資產(chǎn)擱淺感到厭煩,因此他們希望現(xiàn)在的聯(lián)合循環(huán)能為未來提供保護(hù)傘。”
如何將燃?xì)獍l(fā)電廠轉(zhuǎn)化為氫能發(fā)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(huì)導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象。因此,要使燃?xì)獍l(fā)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(duì)所有上游設(shè)備(燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)庀到y(tǒng))有所影響,需要增加燃料管道直徑。”“因此,如果你知道發(fā)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?xì)廨啓C(jī)需要提升中軸線以容納更寬的管道,"會(huì)被立即質(zhì)疑改造的經(jīng)濟(jì)可行性。”
其他變化可能包括新的電氣和氣體檢測(cè)系統(tǒng),以及——根據(jù)監(jiān)管要求——增加選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng),以減少NOx排放(氫在富含氮?dú)獾目諝庵腥紵龝r(shí)產(chǎn)生的溫室氣體)。
但最顯著的變化是調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)以燃燒氫氣,這將需要改進(jìn)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(yīng)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(fā)生回火現(xiàn)象。因此,需要新的防閃回燃燒器設(shè)計(jì)。同時(shí),火焰溫度稍高,意味著NOx排放量將會(huì)增加。”
“然后一切都是關(guān)于……當(dāng)燃燒室的空氣流量已經(jīng)很低時(shí),如何在不損壞燃燒器的情況下啟動(dòng)或關(guān)閉設(shè)備?”
“這或多或少是我們面臨的研發(fā)挑戰(zhàn)——設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、安全的燃燒器來燃燒氫氣,同時(shí)使NOx排放在可控范圍內(nèi)。”
“不可完全消除,但可顯著減少。”
Zindel說,需要統(tǒng)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(qiáng)大的溫室氣體——在使用天然氣生成藍(lán)氫時(shí),會(huì)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(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)化為電能呢?
“與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)相比,燃料電池是一項(xiàng)有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)——但最終……出于經(jīng)濟(jì)考慮,”Zindel。
“如果你看看效率,今天的聯(lián)合循環(huán)技術(shù)…效率水平為63~64%。這已經(jīng)高于一般的燃料電池——效率在60%以內(nèi)。”
“此外,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的投資成本也比(類似規(guī)模的)燃料電池便宜得多。(燃料電池)實(shí)現(xiàn)與聯(lián)合循環(huán)的能源成本平等化還需要數(shù)年。”
“然后你要考慮燃?xì)廨啓C(jī)具有更高的燃料靈活性,以及改造現(xiàn)有的天然氣聯(lián)合循環(huán)以燃燒氫氣的可能性,這將進(jìn)一步減少所需的投資。”
“所有這些都說明,聯(lián)合循環(huán)技術(shù)是未來氫能電氣化的主要技術(shù)。燃料電池雖然是一項(xiàng)極具吸引力的技術(shù),具有顯著的改進(jìn)潛力,但它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是移動(dòng)和小島電網(wǎng),而這些地方聯(lián)合循環(huán)技術(shù)并不可行。”
試點(diǎn)工廠
Zindel解釋說,西門子能源公司目前正在建設(shè)和調(diào)試三座試驗(yàn)性發(fā)電廠,這些發(fā)電廠要么燃燒100%氫氣,要么燃燒富含氫燃料。
兩個(gè)新的商業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)工廠——一個(gè)在俄羅斯西部500MW,一個(gè)在巴西圣保羅州80MW——都將使用煉油廠的副產(chǎn)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(diào)試中。
但可以說,西門子能源公司最重要的試點(diǎn)是法國(guó)的12MW的Hyflexpower項(xiàng)目,該項(xiàng)目將在現(xiàn)有的燃?xì)鉄犭姀S使用100%的綠氫,為位于法國(guó)中西部的一家造紙廠提供電力和熱量。
Zindel說:“對(duì)于我們新的燃燒器技術(shù)來說,這是一個(gè)很好的示范項(xiàng)目,它能夠(燃燒)天然氣和氫氣之間的任何燃料組合,我們預(yù)計(jì)到2023年,氫燃料濃度將達(dá)到100%,同時(shí)降低NOx排放。這將是我們?cè)谠擃I(lǐng)域的第一個(gè)真正的示范項(xiàng)目。”
現(xiàn)有設(shè)施將由包括 Engie Solutions、德國(guó)航空航天中心和四所歐洲大學(xué)在內(nèi)的財(cái)團(tuán)轉(zhuǎn)換為氫能,并由歐盟委員會(huì)的地平線2020計(jì)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(yù)計(jì)2035年之前不會(huì)大規(guī)模建設(shè)氫電廠,但有"一個(gè)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(guó)需要強(qiáng)制脫碳。與在下屆選舉中的3000萬選民相比,對(duì)50家大公司實(shí)施脫碳目標(biāo)要容易得多。”
因此,電廠運(yùn)營(yíng)商面臨的風(fēng)險(xiǎn)是,他們可能會(huì)更快地實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)(相比預(yù)計(jì))。他補(bǔ)充道:“重要的是要明白,監(jiān)管引領(lǐng)變革,因?yàn)槟壳斑@些技術(shù)都沒有比現(xiàn)有技術(shù)更便宜。目前沒有一家公司會(huì)改用氫能。”“無論是通過補(bǔ)貼或碳稅,提高二氧化碳證書價(jià)格,還是通過限制排放或其他措施,真正實(shí)施這一轉(zhuǎn)變的法規(guī),遲早會(huì)到來。”“然后就取決于整個(gè)行業(yè)的表現(xiàn)了。”
責(zé)任編輯: 李穎