可持续地赋能:迈向碳中和时代的铺路石——混氢燃气轮机技术

2023年9月14日(KST)

今年8月份,全球不仅创有记载以来的最高气温,还持续发生高温酷热、前所未有的山火以及破坏力极强的洪水泛滥等大规模气候异常现象。借用世界气象组织之言,这已是我们新的日常,即新常态。虽然这些极端现象有待进一步研究来阐明原由,但业界和学界一致认为人类引发的气候变化是气候异常的主要原因。

随着极端天气日益加剧,全球能源危机接连不断,当下亟待我们实施智能、实用的脱碳解决方案,改造传统的高碳排行业。化石燃料因为能够稳定供应大规模的电能,仍在全球能源组合中占据主流。于是,要求我们研发出即能提供同等量的电力,又能满足未来电网要求的绿色能源技术。其中,氢能尤受青睐,因为它作为燃料燃烧时不会产生碳。那么,我们可不可以利用丰富的氢能来满足全球能源需求呢?

可再生能源技术的发展让氢能在现有能源基础设施上得到利用。得益于混氢燃气轮机技术(H2GT),利用已有的燃气电力基础设施,可以提供我们所需的更可持续的能源。下面,让我们继续深入了解一下这一理想的脱碳解决方案如何促进能源结构的转型。

何谓混氢燃气轮机技术?其工作原理如何?

H2GT技术需要对现有燃气轮机进行一系列改造和升级,将其转变为同时燃烧天然气和氢气的掺氢混烧系统。氢气的能量密度几乎是汽油的3倍,在所有燃料中单位质能最高。此外,氢气在燃气轮机中燃烧时的能量输出功率,与单独使用化石燃料相近甚至更高。那么,它的工作机理如何呢?

传统的燃气轮机由压气机、燃烧系统和涡轮机组成。压气机的主要功能是吸入空气加压后高速输送到燃烧室。空气进入燃烧室后,由环状燃油喷射器组成的燃烧系统,会连续向燃料喷射空气,使燃料燃烧。燃料空气混合物在1090摄氏度(2000华氏度)以上的高温燃烧时,产生高温高压气流。这一高温高压气体进入涡轮机后膨胀,使涡轮叶片旋转,从而产生电力。用H2GT技术改装后的涡轮机使原有的燃料和燃烧系统可以掺氢。这样可以减少压气所需的天然气,从而形成碳强度低的能源生产系统。

这个过程并非没有挑战,其中之一是天然气和氢气的燃烧方式不同所致。由于氢气比传统燃料具有更快的运动性和更快的燃烧速度,因此当燃烧速度和燃料供应速度不匹配时,容易发生回火(flashback)现象。因回火,火焰反向进入燃烧室的话,可能对设备造成严重损坏并导致输出功率不稳。为了保障高效、稳定,必须改造燃气轮机的燃料零部件和安全系统。韩华PSM的防回火技术“FlameSheetTM”,可以明显降低改装后的燃气轮机回火风险,保障发电稳定。

采用H2GT技术改造的燃气轮机的关键部件——FlameSheetTM燃烧室的模型

H2GT的优点是什么?

在韩华的领先开拓下,H2GT的技术研发顺利展开。最近,韩华全球首次在80兆瓦级燃气轮机上成功实现掺氢率60%,在工业用燃气轮机上纪录最高掺氢比例。此外,与天然气气轮机相比,二氧化碳排放量减少了22%,排放的氮氧化物(NOx)浓度也仅为6ppm ,只有欧洲氮氧化物排放标准值的30%。掺氢率越高,二氧化碳排放率就越少。因此,韩华正在为实现100%氢气发电而不懈研发。

除了可减排二氧化碳排放以外,H2GT还为能源行业以及人类社会的未来积极赋能。与传统燃气轮机相比,采用氢能的发电厂可以实现更高的输出功率和效率。H2GT还具有成本效益,有助于在电力需求高峰时稳定电网。H2GT还有一个优点,那就是可以防范资产搁浅。

随着全世界更多地引入可再生能源电网,燃气发电厂要求关闭的可能性增大。虽然关闭这些发电厂对未来环境有利,但也意味着全世界50%以上的化石燃料资产到2036年要完全废弃。这么大的规模会对世界经济产生重大影响。为了缓解全球经济潜在的不安,需要利用现有系统提出面向未来的解决方案。H2GT就是一个很好的铺路石。通过改造燃气基础设施,韩华可以为老旧系统赋予新的生命,大大扩展其运营价值,降低资产搁浅的风险,降低碳排放,满足当前和未来的能源需求。

韩华正在利用H2GT技术改造位于鹿特丹的Uniper公司的燃气轮机

目前,韩华Impact正在实施大规模的H2GT改造项目。比如,正与子公司Thomassen Energy一道,利用H2GT技术在德国能源公司Uniper运营的位于鹿特丹的一台123兆瓦级燃气轮机改造为掺氢混烧系统。这一项目完成后,可助力减少二氧化碳和氮氧化物排放造成的环境污染,使电厂能够灵活应对绿色能源转型。

通过有效减少温室气体排放,H2GT将在构建零碳发电系统方面发挥重要角色。韩华Power Systems的高级副总裁宋勇善也非常看重这一点。他表示:“仅韩国一个国家所有的天然气燃气轮机都转换为掺氢50%的混烧燃气轮机,就能减排1600万吨的温室气体。”这相当于340万辆汽车停驶一年。这只是H2GT在一个国家的影响力,在全球的影响力不言而喻。在我们走向碳中和的旅程中,H2GT技术无疑会成为带动各领域变革的催化剂。

在韩华大山工厂的80兆瓦级燃气轮机上,韩华成功实现掺氢60%,创世界纪录

释放清洁能源的潜力

目前,生产、储存和使用能源的方式发生巨大变化,世界正处于变革时代的关键时刻。要想成功应对这些变化,提前实现我们所设想的未来,需要创新式能源解决方案。H2GT见证了我们的技术进步,可造福于环境、经济和社会,使我们的环境更清洁、更可持续。未来几年,韩华希望通过不断推广H2GT,行稳致远,最终成功实现掺氢100%。这样的话,一个没有搁浅资产和有害排放的新能源生态系统就可以提前实现。

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