氫燃料發(fā)電廠將在能源轉(zhuǎn)型中扮演重要角色

譯者按：氫能是全球能源轉(zhuǎn)型與發(fā)展的新趨勢，被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的能源之一。我國氫能產(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。但是我們對氫能的認(rèn)知多局限于氫氣儲運(yùn)與氫燃料電池等方面，對氫氣燃燒發(fā)電領(lǐng)域沒有給予足夠的重視，基于此，中國航發(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)動機(jī)技術(shù)同源的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)和知識積累向燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)移。AGT-2、AGT-12、AGT-25等多個自主燃?xì)廨啓C(jī)型號已實(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)，這也被國際能源巨頭視為氫能工業(yè)化、規(guī)?；玫闹髁髀窂??？傮w來看，中國航發(fā)燃機(jī)正為氫能大規(guī)模商業(yè)化利用儲備技術(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10千瓦時的風(fēng)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(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?

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，只有將氫能用作長期儲存和對各種可再生能源的補(bǔ)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(fēng)能發(fā)電——就需要以化學(xué)方式儲存電力。”

“在冬季，當(dāng)兩三周都沒有陽光和風(fēng)時，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Υ鏋闅淠埽愦_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，氫能很快就會受到限制，因?yàn)闀刑嗟亩嘤嗟哪芰啃枰獌A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)計劃，計劃最快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，這家電廠會用低碳藍(lán)氫提供動力，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?

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(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%]。”

在一個不到50%運(yùn)行時間的燃?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)行時間長短，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)行時捕獲90%以上的(二氧化碳)。”“我們認(rèn)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(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計劃建造一座全新的氫能發(fā)電廠的同時，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，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爭力，“需要每噸二氧化碳價格達(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，氫能電氣化將在2035年或2040年大規(guī)模實(shí)現(xiàn)——那時我們真的必須對電力行業(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，現(xiàn)在必須開展工作，我們的計劃是具備10年內(nèi)燃燒氫濃度達(dá)到100%的能力——因此，當(dāng)我們獲得第一個真正的商業(yè)項(xiàng)目時，它已經(jīng)可用了。”“我們預(yù)計，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)行時間只有20～30%，不會再多了，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，這意味著，這些發(fā)電廠在本世紀(jì)50年代仍將運(yùn)營，屆時我們應(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)換為氫能燃料時使用。”“我們看到，至少在歐洲，幾乎每個客戶都在談?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。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(guān)于……當(dāng)燃燒室的空氣流量已經(jīng)很低時，如何在不損壞燃燒器的情況下啟動或關(guān)閉設(shè)備?”

“這或多或少是我們面臨的研發(fā)挑戰(zhàn)——設(shè)計一個穩(wěn)定、安全的燃燒器來燃燒氫氣，同時使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，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(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)有競爭力的技術(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。

兩個新的商業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)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(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(shù)來說，這是一個很好的示范項(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)計到2023年，氫燃料濃度將達(dá)到100%，同時降低NOx排放。這將是我們在該領(lǐng)域的第一個真正的示范項(xiàng)目。”

現(xiàn)有設(shè)施將由包括 Engie Solutions、德國航空航天中心和四所歐洲大學(xué)在內(nèi)的財團(tuán)轉(zhuǎn)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(yù)計2035年之前不會大規(guī)模建設(shè)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(qiáng)制脫碳。與在下屆選舉中的3000萬選民相比，對50家大公司實(shí)施脫碳目標(biāo)要容易得多。”

因此，電廠運(yùn)營商面臨的風(fēng)險是，他們可能會更快地實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)(相比預(yù)計)。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改用氫能。”“無論是通過補(bǔ)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(shí)施這一轉(zhuǎn)變的法規(guī)，遲早會到來。”“然后就取決于整個行業(yè)的表現(xiàn)了。”