2030年让燃气轮机实现100%燃氢发电

2021年11月25日 11:05
西门子能源承诺,到2020年将燃气轮机中的燃氢能力逐步提高到至少20%,到2030年提高到100%。

电力安全、用电量增长以及减少排放成为电力特别是发电端面临的三大挑战,氢能的灵活应用则成为解决方案中的关键。

国际能源署(IEA)在《低碳燃料在电力行业清洁能源转型中的作用》报告中指出,由于太阳能光伏和风能的波动性,一个安全和脱碳的电力部门需要比目前规模更大的其他灵活资源。

“基于西门子能源在燃气轮机方面的自身优势,未来在燃气发电环节将向100%燃氢推进,”西门子能源有限公司副总裁、发电集团财务总监陈思晖接受界面记者采访时指出。

她表示,“西门子能源的最终目标和公司的承诺是到2030年在十四个型号的燃气轮机能够使用100%的氢气驱动。”

在9月21日第七十六届联合国大会一般性辩论上,中国承诺,“将大力支持发展中国家能源绿色低碳发展,不再新建境外煤电项目。”

此外,全球能源监测(GEM)发布的报告显示,在美国的减碳计划中目前运营的煤电中,有三分之一(233.6GW中的76.6GW)计划于2035年退役。此外,还有13.2GW的电厂计划于2036-2040年间退役,另有141.1GW的运营电厂目前尚未明确退役日期。

除此之外,日本、韩国以及部分东南亚国家在煤电方面也有压缩产能或者取消新建规划方面的行动。“目前全球在煤电领域的投资在减弱乃至逐渐停止,未来短期内天然气发电会快速增长,西门子能源发电集团也在这一转型过程中推出绿色低碳的产品。”陈思晖表示。

100%燃氢发电成为可能

在2019年初,西门子能源与行业组织EUTurbines的成员签署了一项承诺,到2020年将燃气轮机中的燃氢能力逐步提高到至少20%,到2030年提高到100%。

“对于西门子能源来说,氢燃机并非是一项从零开始的技术,实际上从上世纪70年代开始就已经有烧合成气的燃机,目前累计烧高含氢的燃气轮机累计运行小时数已经超过250万小时。”陈思晖向记者解释道。

她说,“天然气混氢和高含氢的合成气在技术上有所区别,但西门子能源已经在材料方案等方面有了相应的准备和研发。”

西门子能源有关负责人向记者解释道,其中的一个技术难题在于氢腐蚀。

公开资料显示,氢腐蚀是在高温高压条件下,分子氢发生部分分解而变成原子氢或离子氢,侵入钢中后与不稳定的碳化物发生化学反应生成甲烷,长期会引起钢的强度、延性和韧性下降与同时发生晶间断裂。这一脆化现象由于是化学反应的结果因此具有不可逆性。

Jenny Larfeldt是西门子能源瑞典芬斯蓬工厂燃气轮机的燃烧技术教授和高级专家,十多年来一直在研究使用氢气作为燃气轮机的燃料。

她曾说道,“提高燃料混合物中氢比的关键在于燃烧器的设计——我们必须相应地调整燃料喷射。三年前在引入增材制造和3D打印后,我们取得了突破。这项技术能够在不改变外观的情况下调整燃烧器内部的设计,也让我们更容易改造现有的涡轮机,并大大加快燃烧器设计的发展。”

奥地利的Theiss(泰斯)热电厂 图片来源:西门子能源

泰斯的热电厂是第一个安装氢能燃气轮机的发电厂。这座建于1976年的800 兆瓦火力发电厂在新能源电力成为该国供电主流后沦为调峰的角色。

随着主燃气轮机接近其使用寿命,2020年春季,奥地利能源供应商 EVN决定将其更换为更高效、更环保、可使用高达10%氢气的燃气轮机,以确保工厂在未来更绿色的环境中的生存地位,西门子能源则成为其燃机更新的合作对象。

在该燃机更新项目的负责人曾说道,“新燃机的效率提高了近2%,现在拥有更大的负载量,这提供了更高的灵活性,可以在240兆瓦的最大负载和低至120兆瓦的部分负载下运行,运行一年来碳排放也明显降低。”

“和国家能源集团的战略合作协议是西门子能源在本届进博会期间极具分量的签约,合作范围包括高效天然气与燃氢燃机、分布式能源、绿色氢能、大规模海上风电及低碳技术领域。”陈思晖表示。

在西门子能源燃气轮机板块,已经为客户提供了“氢脱碳计算器”,通过完全或部分使用氢气运行航改型、工业和重型燃气轮机,计算二氧化碳减排和成本节约潜力。

在该简单模型的计算下,以一台45MW的SGT-800在联合循环(1*1)配置为例,年运行4000小时,掺氢比例为30%的情况下,每年可减排约1万8000吨二氧化碳。

11月18日,西门子能源凭借其“氢能应用就绪”电厂项目方案,成为全球首家获得由全球运营的测试、检验和认证服务供应商TÜV南德全新独立认证的企业,这一方案提供了一个路线图,展示了电厂如何随着时间的推移转换为掺氢,甚至只以氢气作为燃料。

这意味着,目前正在建造或规划的天然气燃料联合循环发电厂(CCPP)在购买使用其燃气轮机后,未来都有望使用氢气作为燃料。

追溯氢的绿色足迹

在西门子能源《迈向无碳未来白皮书》(下称白皮书)中提到,氢能通过与可再生能源的耦合,可以解决中国西部地区面临弃电(水、风、光)的挑战。

“氢是一个很好的储能解决方案,从以绿电制绿氢,到氢燃机发电再上网,对电网的冲击将大幅降低。”陈思晖表示,“西门子能源发电集团在向风电等可再生能源发展的过程中,也会同西门子歌美飒展开合作。”

从西门子氢能产业链来看,白皮书指出,在上游,西门子能源可以提供适合光伏和风能等可再生能源的发电和输配电设备及解决方案,确保无碳电力生产;

在中游,西门子能源掌握先进高效质子交换膜电解水制氢技术,以及碳捕获等配套技术,已经成功商用;

在下游,西门子能源提供电制燃料与化石燃料混用解决方案,当前燃料基础设施不需要立即做出改变,促进能源应用从化石能源到完全可持续能源的平稳过渡。

这就是西门子能源的Power-to-X能源转化体系,将可再生能源产生的电力(Power)通过电解水产生电转氢(e-Hydrogen),进而转化为多种形式的电制燃料和存储能源(X)。

在智利麦哲伦地区,西门子能源携手HIF领导的几家国际公司,正在开发和建造全球首个生产气候中立合成燃料的大规模综合性商业工厂,即Haru Oni项目。

资料显示,由于具备良好的风力条件和由此带来的低电价,从全球范围来看,智利都具有巨大的潜力,进行绿氢生产、出口和本地使用。

在Haru Oni项目到2022年试点阶段结束时,合成甲醇年产量将初步达到75万升左右。其中的部分合成甲醇将转化为合成汽油(年产量约13万升)。到2024年,计划将年产能提高到5500万升,然后到2026年,增加到每年超过5.5亿升。这些燃料足以满足约100万辆汽车行驶一年。

西门子能源在奥地利奥钢联林茨钢铁厂安装和运行电解系统。
图片来源:西门子能源

在技术与商业模式可行的情况下,绿氢成本问题成为氢产业接下来的重点。

在中国,相比灰氢和蓝氢,绿氢有着环保、能源耦合性与生产消费灵活性优势,但经济性上有一定差距,这一差距体现在设备投入成本较高和用电成本较高。

白皮书指出,随着科技创新及产业规模化,氢能从制造、运输到储存的成本都有望快速下降。以电解水制氢设备为例。根据国际氢能联盟的估算,随着技术发展及市场规模化,到2030年,成本将比2020年下降至少60%左右。

在落基山研究所发布的《电力增长零碳化(2020–2030)》报告中也提到,尽管增加某些灵活性资源会增加系统成本,但合理利用需求响应等低成本调节资源将有助于降低系统成本,并且随着时间的推移,一些形式的灵活性资源(例如电池和氢能)的成本也会逐渐下降。

在海上风电领域,西门子能源同西门子歌美飒联手合作,改造世界上最强大的涡轮机 SG14-222 DD海上风力涡轮机,将电解系统无缝集成到其运行中。目标是在未来五年内总投资约1.2亿欧元来开发这一方案,预计到2025/2026年进行全面的海上示范。

打开绿色氢市场的关键是与灰氢的价格平价。西门子歌美飒认为,到2030年陆上风力发电和2035年海上风力发电可以实现这一目标。

陈思晖表示,“不限于氢能,在工业园区、中型乃至大型城市的区域都可以进行分布式资源的整合,包括光伏、水电、燃气等多能互补,区域化效率提升和低碳化解决方案也是西门子能源的强项。”

来源:界面新闻

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