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西門子能源和 Equinor 的高級管理人員表示，如果不燃燒清潔的氫氣來發(fā)電，電力系統(tǒng)的深度脫碳將是不可能的。乍一看，清潔氫電廠的概念似乎完全荒謬。
為什么有人會使用可再生能源來制造綠色氫氣，然后將其燃燒以發(fā)電？往返效率將低于 40%，因此每 10 千瓦時的風能或太陽能將提供少于 4 千瓦時的電力。以及為什么有人會通過碳捕獲和儲存 (CCS) 從天然氣中制造藍色氫氣——加上甲烷重整和壓縮、液化、運輸和儲存難以處理的氫氣的所有額外費用——將 CCS 添加到現(xiàn)有的燃氣發(fā)電廠？
然而，為什么西門子能源、Equinor 和 SSE 等主要能源公司認為，氫燃料發(fā)電廠有著光明的未來？
綠色氫能發(fā)電廠
德國的西門子能源公司——去年從其母公司西門子公司剝離出來——現(xiàn)在正在為客戶提供氫燃料發(fā)電廠解決方案。
“如果我有可再生能源，將其轉(zhuǎn)換為氫氣并重新通電，總循環(huán)效率低于 40%，顯然只有當你使用氫氣作為可變可再生能源的長期儲存和補償時，這才有意義， ”西門子能源氫能銷售副總裁 Erik Zindel 說。
“如果你真的想 [儲存電力] 數(shù)天、數(shù)周、數(shù)月，或季節(jié)性儲存——冬天使用太陽能從夏天開始，或從秋天到夏天使用風力——你需要將電力儲存在一個化學方式。你仍然需要在冬天黑暗的低迷時期使用 [清潔] 電力，那時兩到三周沒有太陽，也沒有風——你需要有氫氣供應。”Erik Zindel 表示，大規(guī)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。
“一旦你進入綠色氫領域，你就可以增加你想在電網(wǎng)中建造的可再生能源的數(shù)量，因為你可以利用多余的可再生能源”Zindel解釋。
“因此，通過電解，并能夠?qū)⒍嘤嗟哪芰看鎯闅錃猓梢哉嬲岆娏ο到y(tǒng)大幅擴展可再生能源。因為如果你不這樣做，它很快就會受到限制，因為你必須傾倒太多多余的能量。但一旦你可以利用多余的電力，那么你就可以真正將想要建造的可再生能源數(shù)量增加一倍、三倍、四倍。”
成本高
在 Equinor 和 SSE 計劃建造一個全新的氫電廠的同時，西門子能源正在將其商業(yè)模式基于現(xiàn)有化石氣電廠的改造，以及建造新的“氫氣就緒”聯(lián)合循環(huán)燃氣電廠。
“然而，盡管將燃氣發(fā)電廠改造成使用氫氣運行會“相當便宜”，但如今使用清潔氫氣發(fā)電在經(jīng)濟上沒有意義”，Zindel 說。
他解釋說，天然氣比綠色、藍色甚至未減弱的灰色氫氣便宜得多。目前，綠色氫氣的成本估計在 2.50-6 美元/公斤之間，藍色氫氣的成本在 1.50-4 美元/公斤之間。
Zindel 說，如果清潔氫氣的價格為每公斤 2 歐元（2.35 美元），要使其與化石天然氣具有成本競爭力，“將需要每噸 200-250 歐元之間的二氧化碳價格，所以它仍然很遙遠”。在發(fā)布時，歐盟碳價格約為每噸 53 歐元。
Zindel 認為，清潔氫要到 2035 年才會用于大規(guī)模電力生產(chǎn)——部分原因是在運輸和重工業(yè)等其他行業(yè)使用氫會更具成本效益。
“我們預計氫電氣化將在 2035 年或 2040 年代大規(guī)模發(fā)生——那時我們真的必須對電力部門進行深度脫碳，”他說。
Equinor 表示，其 Keadby Hydrogen 設施只會“在適當?shù)恼邫C制到位的情況下”繼續(xù)進行。換句話說，需要大量的補貼支持。
“我們遇到了市場失靈，我們正在研究一種可能更適合某種生產(chǎn)商差價合約的商業(yè)模式。因此，承購商將為天然氣支付價格，而那些生產(chǎn)藍氫的公司將獲得某種補貼來支付額外成本。”
為什么是現(xiàn)在？
如果西門子能源不相信電力部門將在未來 15-20 年內(nèi)使用氫能發(fā)電，那么它今天為什么要營銷氫燃料發(fā)電解決方案？
“出于各種原因，”辛德爾說。 “第一個是，我們知道這是未來，所以我們現(xiàn)在必須開始工作，我們的計劃是在 20商業(yè)項目。
“我們預計聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠將成為在完全脫碳電力場景中提供剩余負荷的主要技術選擇，這些聯(lián)合循環(huán)僅運行 20-30% 的時間——不會更多，因為你將有足夠的時間系統(tǒng)中的風能和太陽能。”
他繼續(xù)說道：“第二點——也是更重要的一點——是我們的客戶今天需要為天然氣建造發(fā)電廠。因此，如果您今天正在建造一座天然氣發(fā)電廠，并在 2023-24 年進行商業(yè)運營，那么典型的預期壽命意味著這些發(fā)電廠在 2050 年代仍將運行，那時我們應該完全脫碳。”
“這意味著從現(xiàn)在開始建造的每座新的燃氣發(fā)電廠很可能都必須在未來進行改造以燃燒氫氣。因此，我們今天準備植物來做到這一點非常重要。這就是我們所說的“氫準備概念”。 因此，我們確保我們擁有正確的材料，選擇了正確的電氣設備，并且我們有足夠的空間來安裝額外的系統(tǒng)。”
“我們看到，至少在歐洲，幾乎每個客戶都在談論他們新發(fā)電廠的氫氣準備情況。但世界其他地區(qū)現(xiàn)在也變得非常積極。所以這是我們行業(yè)中一個非常重要的話題。他們已經(jīng)看到核電站在其商業(yè)和技術生命周期結束之前很久就停止運行——他們現(xiàn)在看到燃煤電站也被從電網(wǎng)中撤出……他們擱淺資產(chǎn)，因此他們希望確保今天構建的聯(lián)合循環(huán)是面向未來的。”
如何將燃氣發(fā)電廠轉(zhuǎn)化為氫氣？
氫氣與天然氣具有不同的特性——例如，它是一個較小的分子，具有較低的能量密度并導致鋼脆化——因此需要進行各種改變以使燃氣發(fā)電廠能夠使用 H2 運行。
“較低的體積密度主要影響所有上游設備——燃氣輪機、燃氣系統(tǒng)，你需要直徑更大的燃料管，”Zindel 解釋說。
“因此，如果您知道未來發(fā)電廠將不得不使用氫氣運行，那么您可以使用正確的材料——首先建造更大直徑的管道。”他解釋說，如果渦輪機需要提升其中心軸以容納更寬的管道，“這會立即質(zhì)疑改造的經(jīng)濟可行性”。
可能需要的其他更改包括新的電氣和氣體檢測系統(tǒng)，以及根據(jù)監(jiān)管要求添加選擇性催化還原 (SCR) 系統(tǒng)以減少一氧化二氮 (NOx) 排放（產(chǎn)生的溫室氣體），當氫氣在富氮空氣中燃燒時。
但最顯著的變化是使燃氣輪機能夠燃燒 H2，這需要改變?nèi)紵液托碌娜紵鳌?/span>
“與天然氣相比，氫氣作為燃料具有更高的反應性和更高的火焰速度，”Zindel 說。 “這意味著火焰離燃燒器本身更近，你有火焰‘吞噬’燃燒器然后損壞它的風險。因此，您需要一種防回火的新型燃燒器設計。同時，你必須有一個稍高的火焰溫度，這意味著氮氧化物排放量會增加。”
“然后就是……當通過燃燒室的空氣流量很低時，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(fā)挑戰(zhàn)——設計一種穩(wěn)定且安全的燃燒器來燃燒氫氣，同時控制氮氧化物排放。你不能完全消除它們，但你可以顯著減少它們。”
Zindel 說，需要對所有溫室氣體有一個整體的看法。因此，這不僅涉及減少 CO2 和 NOx，還涉及減少甲烷——一種強大的溫室氣體——當使用天然氣生產(chǎn)藍色 H2 時會向上游排放。
為什么不使用燃料電池？
如果燃燒氫氣總是會產(chǎn)生一些氮氧化物溫室氣體，為什么不使用無排放的燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能呢？
“與帶有燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)相比，燃料電池是一項具有競爭力的技術——但最終……它真的與經(jīng)濟有關，”津德爾說。
“如果你看看效率，今天的聯(lián)合循環(huán)技術有 63-64% 的效率水平。因此，這已經(jīng)高于通常限制在 60% 的典型燃料電池。那么聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的投資成本也比類似尺寸的燃料電池便宜得多。如果有的話，燃料電池接近聯(lián)合循環(huán)的 LCOE平均能源成本還需要很多很多年的時間”
他繼續(xù)說道：“然后，您需要考慮燃氣輪機更高的燃料靈活性以及改造現(xiàn)有天然氣聯(lián)合循環(huán)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(lián)合循環(huán)是未來氫氣再電氣化的主要技術。盡管燃料電池是一項極具吸引力且具有顯著改進潛力的技術，但其主要應用領域?qū)⑹菣C動性和聯(lián)合循環(huán)不可行的小島電網(wǎng)。”
中試工廠
Zindel 解釋說，西門子能源目前正在建設和調(diào)試三個試點發(fā)電廠，它們將燃燒 100% 的氫氣或富含氫氣的氣體混合物。
兩個新的商業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)廠——俄羅斯西部的一個 500MW 設施和巴西圣保羅州的一個 80MW 項目——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%分別。目前，這兩個工廠都在調(diào)試中。
但可以說，西門子能源最重要的試點項目將是法國的 12MW Hyflexpower 項目，該項目將在現(xiàn)有的燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)廠使用 100% 綠色氫氣，該電廠為法國中西部的一家造紙廠提供電力和熱量。
“對于我們的新燃燒器技術來說，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 年將實現(xiàn) 100% 的氫氣和低氮氧化物排放，”Zindel 說。 “這將是我們在該領域的第一個真正的示范項目。”
現(xiàn)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(nèi)的財團轉(zhuǎn)換為氫氣，并由歐盟委員會的地平線 2020 計劃提供資金。
來源作者：Leigh Collins
