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中國(guó)航發(fā)燃機(jī):氫燃料發(fā)電廠將在能源轉(zhuǎn)型中扮演重要角色

來源:全球起重機(jī)械網(wǎng)??人氣:2236
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     譯者按:氫能是全球動(dòng)力轉(zhuǎn)型與開展的新趨勢(shì),被譽(yù)為21世紀(jì)最有出路的動(dòng)力之一。我國(guó)氫能工業(yè)的商業(yè)化步伐正在不斷加快,一些當(dāng)?shù)睾蛣?dòng)力企業(yè)紛紛布局氫能工業(yè)與運(yùn)用項(xiàng)目??墒窃蹅儗?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)氫氣焚燒發(fā)電范疇沒有給予滿足的重視,基于此,中國(guó)航發(fā)燃機(jī)編譯了這篇文章,以期引發(fā)職業(yè)更多有利的思考。

    中國(guó)航發(fā)燃機(jī)一向致力于氫能的開發(fā)與運(yùn)用,憑仗燃?xì)廨啓C(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)技能同源的優(yōu)勢(shì),完成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)焚燒技能和常識(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)類型已完成擴(kuò)散焚燒方法的富氫燃料發(fā)電運(yùn)用,部分混氫焚燒發(fā)電項(xiàng)目的氫濃度最高到達(dá)了60%。現(xiàn)在,公司正在開展預(yù)混焚燒方法的富氫燃料干式低排放焚燒技能的開發(fā),這也被世界動(dòng)力巨子視為氫能工業(yè)化、規(guī)模化運(yùn)用的干流途徑。整體來看,中國(guó)航發(fā)燃機(jī)正為氫能大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)用儲(chǔ)備技能,已具有開展零碳排放燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品研發(fā)的基礎(chǔ)。

    以下為譯文:

    為什么氫燃料發(fā)電廠"將在動(dòng)力轉(zhuǎn)型中扮演重要人物"

    西門子動(dòng)力(SiemensEnergy)和Equinor的高管以為,假如不焚燒清潔的氫能進(jìn)行發(fā)電,電力體系的深度脫碳是不行能完成的。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(fā)電廠的概念似乎荒唐備至。為什么會(huì)有人用可再生動(dòng)力制造綠色氫能,之后再焚燒氫能來發(fā)電?功率低于40%,每10千瓦時(shí)的風(fēng)能或太陽能供給的電力不到4千瓦時(shí)。

    為什么用碳捕獲和貯存(CCS)技能從天然氣中制取藍(lán)氫——加上甲烷改造和壓縮/液化、運(yùn)送和貯存難以處理的氫氣而發(fā)生的一切額定費(fèi)用——當(dāng)你可以在現(xiàn)有的燃?xì)怆姀S中加入CCS技能時(shí)?

    可是,西門子動(dòng)力(Siemensenergy)、Equinor和蘇格蘭公用事業(yè)公司(SSE)等大型動(dòng)力公司以為,氫能發(fā)電廠的前景光明。為什么?

    綠氫發(fā)電廠

    德國(guó)西門子動(dòng)力公司(SiemensEnergy)去年從母公司剝離出來,向客戶供給氫能發(fā)電廠解決方案。西門子動(dòng)力公司氫能發(fā)電出售副總裁ErikZindel表明:“假如將可再生動(dòng)力轉(zhuǎn)化為氫能并從頭電氣化,總循環(huán)功率不到40%,明顯,只要將氫能用作長(zhǎng)時(shí)刻貯存和對(duì)各種可再生動(dòng)力的補(bǔ)償時(shí),才有意義。”

    “假如想幾天、幾周、幾個(gè)月,乃至幾個(gè)季度地貯存電力——或許想從夏天到冬天都運(yùn)用太陽能,亦或許想從秋天到夏天都運(yùn)用風(fēng)能發(fā)電——就需求以化學(xué)方法貯存電力。”

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

    ErikZindel以為,大規(guī)模儲(chǔ)氫也將有助于削減刮風(fēng)/晴天期間風(fēng)能和太陽能的削減。他解說道:“一旦你進(jìn)入綠色氫能范疇,就可以添加你希望在電網(wǎng)中構(gòu)建的可再生動(dòng)力數(shù)量,由于你可以運(yùn)用剩余的可再生動(dòng)力(不然,這些可再生動(dòng)力將因無法出售而被削減)。”

    因而,經(jīng)過電解(運(yùn)用電力將水分子分解成氫氣和氧氣),而且可以將剩余的能量貯存為氫能,你確實(shí)可以讓可再生動(dòng)力在電力體系中占有重要地位。反之,氫能很快就會(huì)受到約束,由于會(huì)有太多的剩余的能量需求傾倒??墒牵坏┠憧梢赃\(yùn)用這種過剩的電力,你就可以將可再生動(dòng)力成倍(兩倍、三倍乃至四倍)添加。

    藍(lán)氫發(fā)電廠

    挪威石油巨子Equinor和蘇格蘭公用事業(yè)公司SSE最近宣告了一項(xiàng)方案,方案最快10年內(nèi)在英格蘭東北部的Keadby制作一座全新的1.8GW氫燃料發(fā)電站。兩家公司表明,這家電廠會(huì)用低碳藍(lán)氫供給動(dòng)力,并用于支持可變可再生動(dòng)力,比方海上風(fēng)能。那么,為什么藍(lán)氫發(fā)電比運(yùn)用CCS技能的天然氣發(fā)電更有優(yōu)勢(shì)?

    Equinor低碳技能副總裁HenrikSolgaardAndersen以為,在焚燒前階段捕獲碳比在燃?xì)獍l(fā)電廠焚燒后捕獲碳更具本錢效益。“在[燃?xì)獍l(fā)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,捕獲剩余二氧化碳的或許性就越小。終究,無法捕獲。”

    “在藍(lán)氫電廠里,二氧化碳?jí)毫Ω?。因而,最初有許多“針頭”,這便是為什么與后焚燒電廠比較,藍(lán)氫電廠可以獲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(gè)不到50%運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刻的燃?xì)獍l(fā)電廠獲取二氧化碳的本錢就更低了——就像Keadby備用發(fā)電廠那樣。Andersen說:“無論運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刻長(zhǎng)短,后焚燒方法(即采用CCS技能的天然氣)電廠有必要預(yù)備好在每次運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)捕獲90%以上的(二氧化碳)。”“咱們以為,一切這些發(fā)動(dòng)和中止都意味著捕獲裝置升溫文冷卻次數(shù)過多,所以無法捕獲滿足多的二氧化碳。”他彌補(bǔ)道:“以前沒有一家機(jī)構(gòu)運(yùn)用CCS技能運(yùn)營(yíng)過可調(diào)度發(fā)電廠。沒人真正知道動(dòng)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(fā)電廠的一起,西門子動(dòng)力公司正以現(xiàn)有化石氣體發(fā)電廠的改造以及新的“氫安排妥當(dāng)”聯(lián)合循環(huán)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的制作為其商業(yè)模式的基礎(chǔ)。

    可是,Zindel指出,盡管將一座天然氣發(fā)電廠改造成氫能發(fā)電廠“適當(dāng)廉價(jià)”,但現(xiàn)在運(yùn)用清潔氫能發(fā)電“在經(jīng)濟(jì)上沒有意義。”他解說說,天然氣比綠氫、藍(lán)氫乃至有增無減的灰氫廉價(jià)得多。據(jù)估計(jì),綠氫的本錢在每千克2.50~6美元之間,藍(lán)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(jìng)爭(zhēng)力,“需求每噸二氧化碳價(jià)格到達(dá)200~250英鎊,因而任重而道遠(yuǎn)”?,F(xiàn)在,歐盟公布的碳價(jià)格約為每噸53歐元。清潔氫能要到2035年才干用于大規(guī)模發(fā)電,部分原因是在運(yùn)送和重工業(yè)等其他職業(yè)運(yùn)用氫能更具本錢效益。

    他表明:“咱們估計(jì),氫能電氣化將在2035年或2040年大規(guī)模完成——那時(shí)咱們真的有必要對(duì)電力職業(yè)進(jìn)行深度脫碳。”

    Equinor表明,其Keadby氫能設(shè)備只要在“適當(dāng)?shù)姆结槞C(jī)制到位的情況下”,換句話說,假如它得到大量補(bǔ)助,才干繼續(xù)進(jìn)行。

    Andersen說:“咱們的商場(chǎng)失靈了。”咱們正在研究一種商業(yè)模式,這種商業(yè)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(lán)氫的生產(chǎn)商將得到某種補(bǔ)助[額定本錢]。

    為什么是現(xiàn)在?

    假如西門子動(dòng)力不相信電力職業(yè)將在15~20年內(nèi)運(yùn)用氫能發(fā)電,那么它今日又為什么要營(yíng)銷氫燃料發(fā)電解決方案呢?

    Zindel說:“原因許多。其一,這是未來趨勢(shì),現(xiàn)在有必要開展工作,咱們的方案是具有10年內(nèi)焚燒氫濃度到達(dá)100%的能力——因而,當(dāng)咱們獲得第一個(gè)真正的商業(yè)項(xiàng)目時(shí),它現(xiàn)已可用了。”“咱們估計(jì),在徹底脫碳的情況下,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠將成為供給剩余負(fù)荷的首要技能挑選,這些聯(lián)合循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刻只要20~30%,不會(huì)再多了,由于體系中將有滿足的風(fēng)能和太陽能。”“其次——也是更重要的一點(diǎn)——咱們的客戶現(xiàn)在需求制作天然氣發(fā)電廠。所以,假如你有一個(gè)天然氣發(fā)電廠正在制作,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)咱們應(yīng)徹底脫碳”“這意味著,從現(xiàn)在起即將制作的每座新的(燃?xì)?發(fā)電廠都很或許在未來進(jìn)行改造,以焚燒氫能。因而,咱們今日就為這些發(fā)電廠做好預(yù)備是十分重要的。這便是咱們所說的"氫安排妥當(dāng)概念"。因而,咱們要確保咱們具有正確的材料,挑選正確的電氣設(shè)備,[而且]咱們有滿足的空間來供給額定的體系,這些體系將在電廠轉(zhuǎn)換為氫能燃料時(shí)運(yùn)用。”“咱們看到,至少在歐洲,簡(jiǎn)直每個(gè)客戶都在談?wù)擃A(yù)備為他們的新發(fā)電廠運(yùn)用氫能。而且,世界其他地區(qū)現(xiàn)在也十分積極地削減碳排放。這是咱們職業(yè)中一個(gè)十分重要的話題。”“他們看到核電站在其商業(yè)和技能生命周期結(jié)束前好久就已中止運(yùn)轉(zhuǎn)——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)停滯感到厭煩,因而他們希望現(xiàn)在的聯(lián)合循環(huán)能為未來供給保護(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,動(dòng)力密度更低,會(huì)導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象。因而,要使燃?xì)獍l(fā)電廠可以運(yùn)用氫能,需求做出許多改動(dòng)。

    Zindel解說道:“體積密度下降首要對(duì)一切上游設(shè)備(燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)怏w系)有所影響,需求添加燃料管道直徑。”“因而,假如你知道發(fā)電廠將來要運(yùn)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?xì)廨啓C(jī)需求提升中軸線以容納更寬的管道,"會(huì)被當(dāng)即質(zhì)疑改造的經(jīng)濟(jì)可行性。”

    其他改變或許包含新的電氣和氣體檢測(cè)體系,以及——依據(jù)監(jiān)管要求——添加挑選性催化還原(SCR)體系,以削減NOx排放(氫在富含氮?dú)獾目諝庵蟹贌龝r(shí)發(fā)生的溫室氣體)。

    但最明顯的改變是調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)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(yīng)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(fā)生回火現(xiàn)象。因而,需求新的防閃回焚燒器規(guī)劃。一起,火焰溫度稍高,意味著NOx排放量將會(huì)添加。”

    “然后一切都是關(guān)于……當(dāng)焚燒室的空氣流量現(xiàn)已很低時(shí),如安在不損壞焚燒器的情況下發(fā)動(dòng)或關(guān)閉設(shè)備?”

    “這或多或少是咱們面對(duì)的研發(fā)挑戰(zhàn)——規(guī)劃一個(gè)穩(wěn)定、安全的焚燒器來焚燒氫氣,一起使NOx排放在可控范圍內(nèi)。”

    “不行徹底消除,但可明顯削減。”

    Zindel說,需求統(tǒng)籌剖析一切溫室氣體。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(qiáng)壯的溫室氣體——在運(yùn)用天然氣生成藍(lán)氫時(shí),會(huì)向上游排放甲烷。

    為什么不運(yùn)用燃料電池呢?

    假如焚燒氫氣總是會(huì)發(fā)生一些氮氧化物和溫室氣體,為什么不運(yùn)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)比較,燃料電池是一項(xiàng)有競(jìng)爭(zhēng)力的技能——但終究……出于經(jīng)濟(jì)考慮,”Zindel。

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

    “此外,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的出資本錢也比(類似規(guī)模的)燃料電池廉價(jià)得多。(燃料電池)完成與聯(lián)合循環(huán)的動(dòng)力本錢平等化還需求數(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)以焚燒氫氣的或許性,這將進(jìn)一步削減所需的出資。”

    “一切這些都說明,聯(lián)合循環(huán)技能是未來氫能電氣化的首要技能。燃料電池雖然是一項(xiàng)極具吸引力的技能,具有明顯的改善潛力,但它的首要運(yùn)用范疇是移動(dòng)和小島電網(wǎng),而這些當(dāng)?shù)芈?lián)合循環(huán)技能并不行行。”

    試點(diǎn)工廠

    Zindel解說說,西門子動(dòng)力公司現(xiàn)在正在制作和調(diào)試三座試驗(yàn)性發(fā)電廠,這些發(fā)電廠要么焚燒100%氫氣,要么焚燒富含氫燃料。

    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——都將運(yùn)用煉油廠的副產(chǎn)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(diào)試中。

    但可以說,西門子動(dòng)力公司最重要的試點(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運(yùn)用100%的綠氫,為位于法國(guó)中西部的一家造紙廠供給電力和熱量。

    Zindel說:“關(guān)于咱們新的焚燒器技能來說,這是一個(gè)很好的演示項(xiàng)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(jì)到2023年,氫燃料濃度將到達(dá)100%,一起下降NOx排放。這將是咱們?cè)谠摲懂牭牡谝粋€(gè)真正的演示項(xiàng)目。”

    現(xiàn)有設(shè)備將由包含EngieSolutions、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方案供給資金。

    “十分十分大的可是”

    Zindel表明,雖然西門子動(dòng)力公司估計(jì)2035年之前不會(huì)大規(guī)模制作氫電廠,但有"一個(gè)十分十分大的可是"。

    他解說道:“立法需求采用脫碳路線——而且要快。"各國(guó)需求強(qiáng)制脫碳。與在下屆選舉中的3000萬選民比較,對(duì)50家大公司實(shí)施脫碳目標(biāo)要簡(jiǎn)單得多。”

    因而,電廠運(yùn)營(yíng)商面對(duì)的危險(xiǎn)是,他們或許會(huì)更快地完成脫碳目標(biāo)(比較估計(jì))。他彌補(bǔ)道:“重要的是要明白,監(jiān)管引領(lǐng)變革,由于現(xiàn)在這些技能都沒有比現(xiàn)有技能更廉價(jià)?,F(xiàn)在沒有一家公司會(huì)改用氫能。”“無論是經(jīng)過補(bǔ)助或碳稅,進(jìn)步二氧化碳證書價(jià)格,仍是經(jīng)過約束排放或其他措施,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)職業(yè)的體現(xiàn)了。”

    中國(guó)航發(fā)燃機(jī)

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    中國(guó)航發(fā)燃機(jī) 氫燃料發(fā)電廠

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