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西門(mén)子能源和 Equinor 的高級(jí)管理人員表示，如果不燃燒清潔的氫氣來(lái)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(huì)使用可再生能源來(lái)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(shí)的風(fēng)能或太陽(yáng)能將提供少于 4 千瓦時(shí)的電力。以及為什么有人會(huì)通過(guò)碳捕獲和儲(chǔ)存 (CCS) 從天然氣中制造藍(lán)色氫氣——加上甲烷重整和壓縮、液化、運(yùn)輸和儲(chǔ)存難以處理的氫氣的所有額外費(fèi)用——將 CCS 添加到現(xiàn)有的燃?xì)獍l(fā)電廠？
然而，為什么西門(mén)子能源、Equinor 和 SSE 等主要能源公司認(rèn)為，氫燃料發(fā)電廠有著光明的未來(lái)？
綠色氫能發(fā)電廠
德國(guó)的西門(mén)子能源公司——去年從其母公司西門(mén)子公司剝離出來(lái)——現(xiàn)在正在為客戶(hù)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(dāng)你使用氫氣作為可變可再生能源的長(zhǎng)期儲(chǔ)存和補(bǔ)償時(shí)，這才有意義， ”西門(mén)子能源氫能銷(xiāo)售副總裁 Erik Zindel 說(shuō)。
“如果你真的想 [儲(chǔ)存電力] 數(shù)天、數(shù)周、數(shù)月，或季節(jié)性?xún)?chǔ)存——冬天使用太陽(yáng)能從夏天開(kāi)始，或從秋天到夏天使用風(fēng)力——你需要將電力儲(chǔ)存在一個(gè)化學(xué)方式。你仍然需要在冬天黑暗的低迷時(shí)期使用 [清潔] 電力，那時(shí)兩到三周沒(méi)有太陽(yáng)，也沒(méi)有風(fēng)——你需要有氫氣供應(yīng)?！盓rik Zindel 表示，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(yáng)能的削減。
“一旦你進(jìn)入綠色氫領(lǐng)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?yàn)槟憧梢岳枚嘤嗟目稍偕茉础盳indel解釋。
“因此，通過(guò)電解，并能夠?qū)⒍嘤嗟哪芰看鎯?chǔ)為氫氣，您可以真正讓電力系統(tǒng)大幅擴(kuò)展可再生能源。因?yàn)槿绻悴贿@樣做，它很快就會(huì)受到限制，因?yàn)槟惚仨殐A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?！?/span>
成本高
在 Equinor 和 SSE 計(jì)劃建造一個(gè)全新的氫電廠的同時(shí)，西門(mén)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?xì)怆姀S。
“然而，盡管將燃?xì)獍l(fā)電廠改造成使用氫氣運(yùn)行會(huì)“相當(dāng)便宜”，但如今使用清潔氫氣發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上沒(méi)有意義”，Zindel 說(shuō)。
他解釋說(shuō)，天然氣比綠色、藍(lán)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(jì)在 2.50-6 美元/公斤之間，藍(lán)色氫氣的成本在 1.50-4 美元/公斤之間。
Zindel 說(shuō)，如果清潔氫氣的價(jià)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(jìng)爭(zhēng)力，“將需要每噸 200-250 歐元之間的二氧化碳價(jià)格，所以它仍然很遙遠(yuǎn)”。在發(fā)布時(shí)，歐盟碳價(jià)格約為每噸 53 歐元。
Zindel 認(rèn)為，清潔氫要到 2035 年才會(huì)用于大規(guī)模電力生產(chǎn)——部分原因是在運(yùn)輸和重工業(yè)等其他行業(yè)使用氫會(huì)更具成本效益。
“我們預(yù)計(jì)氫電氣化將在 2035 年或 2040 年代大規(guī)模發(fā)生——那時(shí)我們真的必須對(duì)電力部門(mén)進(jìn)行深度脫碳，”他說(shuō)。
Equinor 表示，其 Keadby Hydrogen 設(shè)施只會(huì)“在適當(dāng)?shù)恼邫C(jī)制到位的情況下”繼續(xù)進(jìn)行。換句話說(shuō)，需要大量的補(bǔ)貼支持。
“我們遇到了市場(chǎng)失靈，我們正在研究一種可能更適合某種生產(chǎn)商差價(jià)合約的商業(yè)模式。因此，承購(gòu)商將為天然氣支付價(jià)格，而那些生產(chǎn)藍(lán)氫的公司將獲得某種補(bǔ)貼來(lái)支付額外成本?！?/span>
為什么是現(xiàn)在？
如果西門(mén)子能源不相信電力部門(mén)將在未來(lái) 15-20 年內(nèi)使用氫能發(fā)電，那么它今天為什么要營(yíng)銷(xiāo)氫燃料發(fā)電解決方案？
“出于各種原因，”辛德?tīng)栒f(shuō)。 “第一個(gè)是，我們知道這是未來(lái)，所以我們現(xiàn)在必須開(kāi)始工作，我們的計(jì)劃是在 20商業(yè)項(xiàng)目。
“我們預(yù)計(jì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠將成為在完全脫碳電力場(chǎng)景中提供剩余負(fù)荷的主要技術(shù)選擇，這些聯(lián)合循環(huán)僅運(yùn)行 20-30% 的時(shí)間——不會(huì)更多，因?yàn)槟銓⒂凶銐虻臅r(shí)間系統(tǒng)中的風(fēng)能和太陽(yáng)能?！?/span>
他繼續(xù)說(shuō)道：“第二點(diǎn)——也是更重要的一點(diǎn)——是我們的客戶(hù)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(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)，那么典型的預(yù)期壽命意味著這些發(fā)電廠在 2050 年代仍將運(yùn)行，那時(shí)我們應(yīng)該完全脫碳?！?/span>
“這意味著從現(xiàn)在開(kāi)始建造的每座新的燃?xì)獍l(fā)電廠很可能都必須在未來(lái)進(jìn)行改造以燃燒氫氣。因此，我們今天準(zhǔn)備植物來(lái)做到這一點(diǎn)非常重要。這就是我們所說(shuō)的“氫準(zhǔn)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(shè)備，并且我們有足夠的空間來(lái)安裝額外的系統(tǒng)?！?/span>
“我們看到，至少在歐洲，幾乎每個(gè)客戶(hù)都在談?wù)撍麄冃掳l(fā)電廠的氫氣準(zhǔn)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(gè)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(shù)生命周期結(jié)束之前很久就停止運(yùn)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(gòu)建的聯(lián)合循環(huán)是面向未來(lái)的?！?/span>
如何將燃?xì)獍l(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(gè)較小的分子，具有較低的能量密度并導(dǎo)致鋼脆化——因此需要進(jìn)行各種改變以使燃?xì)獍l(fā)電廠能夠使用 H2 運(yùn)行。
“較低的體積密度主要影響所有上游設(shè)備——燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)庀到y(tǒng)，你需要直徑更大的燃料管，”Zindel 解釋說(shuō)。
“因此，如果您知道未來(lái)發(fā)電廠將不得不使用氫氣運(yùn)行，那么您可以使用正確的材料——首先建造更大直徑的管道?！彼忉屨f(shuō)，如果渦輪機(jī)需要提升其中心軸以容納更寬的管道，“這會(huì)立即質(zhì)疑改造的經(jīng)濟(jì)可行性”。
可能需要的其他更改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(dāng)氫氣在富氮空氣中燃燒時(shí)。
但最顯著的變化是使燃?xì)廨啓C(jī)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(yīng)性和更高的火焰速度，”Zindel 說(shuō)。 “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(fēng)險(xiǎn)。因此，您需要一種防回火的新型燃燒器設(shè)計(jì)。同時(shí)，你必須有一個(gè)稍高的火焰溫度，這意味著氮氧化物排放量會(huì)增加?！?/span>
“然后就是……當(dāng)通過(guò)燃燒室的空氣流量很低時(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)一種穩(wěn)定且安全的燃燒器來(lái)燃燒氫氣，同時(shí)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?！?/span>
Zindel 說(shuō)，需要對(duì)所有溫室氣體有一個(gè)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(qiáng)大的溫室氣體——當(dāng)使用天然氣生產(chǎn)藍(lán)色 H2 時(shí)會(huì)向上游排放。
為什么不使用燃料電池？
如果燃燒氫氣總是會(huì)產(chǎn)生一些氮氧化物溫室氣體，為什么不使用無(wú)排放的燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能呢？
“與帶有燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)相比，燃料電池是一項(xiàng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)——但最終……它真的與經(jīng)濟(jì)有關(guān)，”津德?tīng)栒f(shuō)。
“如果你看看效率，今天的聯(lián)合循環(huán)技術(shù)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(lèi)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(shí)間”
他繼續(xù)說(shuō)道：“然后，您需要考慮燃?xì)廨啓C(jī)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(jìn)一步減少所需的投資。
“所有這些都說(shuō)明聯(lián)合循環(huán)是未來(lái)氫氣再電氣化的主要技術(shù)。盡管燃料電池是一項(xiàng)極具吸引力且具有顯著改進(jìn)潛力的技術(shù)，但其主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹菣C(jī)動(dòng)性和聯(lián)合循環(huán)不可行的小島電網(wǎng)?！?/span>
中試工廠
Zindel 解釋說(shuō)，西門(mén)子能源目前正在建設(shè)和調(diào)試三個(gè)試點(diǎn)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(gè)新的商業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)廠——俄羅斯西部的一個(gè) 500MW 設(shè)施和巴西圣保羅州的一個(gè) 80MW 項(xiàng)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(gè)工廠都在調(diào)試中。
但可以說(shuō)，西門(mén)子能源最重要的試點(diǎn)項(xiàng)目將是法國(guó)的 12MW Hyflexpower 項(xiàng)目，該項(xiàng)目將在現(xiàn)有的燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)廠使用 100% 綠色氫氣，該電廠為法國(guó)中西部的一家造紙廠提供電力和熱量。
“對(duì)于我們的新燃燒器技術(shù)來(lái)說(shuō)，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 年將實(shí)現(xiàn) 100% 的氫氣和低氮氧化物排放，”Zindel 說(shuō)。 “這將是我們?cè)谠擃I(lǐng)域的第一個(gè)真正的示范項(xiàng)目?！?/span>
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)換為氫氣，并由歐盟委員會(huì)的地平線 2020 計(jì)劃提供資金。
來(lái)源作者：Leigh Collins
