译者按：氢能是全球动力转型与开展的新趋势，被誉为21世纪最有出路的动力之一。我国氢能工业的商业化步伐正在不断加快，一些当地和动力企业纷纷布局氢能工业与运用项目。可是咱们对氢能的认知多局限于氢气储运与氢燃料电池等方面，对氢气焚烧发电范畴没有给予满足的重视，基于此，中国航发燃机编译了这篇文章，以期引发职业更多有利的思考。

    中国航发燃机一向致力于氢能的开发与运用，凭仗燃气轮机与航空发动机技能同源的优势，完成了航空发动机焚烧技能和常识积累向燃气轮机的转移。AGT-2、AGT-12、AGT-25等多个自主燃气轮机类型已完成扩散焚烧方法的富氢燃料发电运用，部分混氢焚烧发电项目的氢浓度最高到达了60%。现在，公司正在开展预混焚烧方法的富氢燃料干式低排放焚烧技能的开发，这也被世界动力巨子视为氢能工业化、规模化运用的干流途径。整体来看，中国航发燃机正为氢能大规模商业化运用储备技能，已具有开展零碳排放燃气轮机产品研发的基础。

    以下为译文：

    为什么氢燃料发电厂"将在动力转型中扮演重要人物"

    西门子动力(SiemensEnergy)和Equinor的高管以为，假如不焚烧清洁的氢能进行发电，电力体系的深度脱碳是不行能完成的。2021年7月29日10：38GMT更新2021年7月30日0：49GMT由LeighCollins

    乍一看，清洁氢能发电厂的概念似乎荒唐备至。为什么会有人用可再生动力制造绿色氢能，之后再焚烧氢能来发电?功率低于40%，每10千瓦时的风能或太阳能供给的电力不到4千瓦时。

    为什么用碳捕获和贮存(CCS)技能从天然气中制取蓝氢——加上甲烷改造和压缩/液化、运送和贮存难以处理的氢气而发生的一切额定费用——当你可以在现有的燃气电厂中加入CCS技能时?

    可是，西门子动力(Siemensenergy)、Equinor和苏格兰公用事业公司(SSE)等大型动力公司以为，氢能发电厂的前景光明。为什么?

    绿氢发电厂

    德国西门子动力公司(SiemensEnergy)去年从母公司剥离出来，向客户供给氢能发电厂解决方案。西门子动力公司氢能发电出售副总裁ErikZindel表明：“假如将可再生动力转化为氢能并从头电气化，总循环功率不到40%，明显，只要将氢能用作长时刻贮存和对各种可再生动力的补偿时，才有意义。”

    “假如想几天、几周、几个月，乃至几个季度地贮存电力——或许想从夏天到冬天都运用太阳能，亦或许想从秋天到夏天都运用风能发电——就需求以化学方法贮存电力。”

    “在冬天，当两三周都没有阳光和风时，你依然需求(清洁的)电力——因而你需求氢能。”

    ErikZindel以为，大规模储氢也将有助于削减刮风/晴天期间风能和太阳能的削减。他解说道：“一旦你进入绿色氢能范畴，就可以添加你希望在电网中构建的可再生动力数量，由于你可以运用剩余的可再生动力(不然，这些可再生动力将因无法出售而被削减)。”

    因而，经过电解(运用电力将水分子分解成氢气和氧气)，而且可以将剩余的能量贮存为氢能，你确实可以让可再生动力在电力体系中占有重要地位。反之，氢能很快就会受到约束，由于会有太多的剩余的能量需求倾倒。可是，一旦你可以运用这种过剩的电力，你就可以将可再生动力成倍(两倍、三倍乃至四倍)添加。

    蓝氢发电厂

    挪威石油巨子Equinor和苏格兰公用事业公司SSE最近宣告了一项方案，方案最快10年内在英格兰东北部的Keadby制作一座全新的1.8GW氢燃料发电站。两家公司表明，这家电厂会用低碳蓝氢供给动力，并用于支持可变可再生动力，比方海上风能。那么，为什么蓝氢发电比运用CCS技能的天然气发电更有优势?

    Equinor低碳技能副总裁HenrikSolgaardAndersen以为，在焚烧前阶段捕获碳比在燃气发电厂焚烧后捕获碳更具本钱效益。“在[燃气发电站]的烟气中，压力十分低，二氧化碳浓度十分低…所以这十分困难，”他解说道。“这就像大海捞针。你捕获的二氧化碳越多，捕获剩余二氧化碳的或许性就越小。终究，无法捕获。”

    “在蓝氢电厂里，二氧化碳压力高。因而，最初有许多“针头”，这便是为什么与后焚烧电厂比较，蓝氢电厂可以获得更多二氧化碳的原因：压力十分高。所以可以降到[97-98%]。”

    在一个不到50%运转时刻的燃气发电厂获取二氧化碳的本钱就更低了——就像Keadby备用发电厂那样。Andersen说：“无论运转时刻长短，后焚烧方法(即采用CCS技能的天然气)电厂有必要预备好在每次运转时捕获90%以上的(二氧化碳)。”“咱们以为，一切这些发动和中止都意味着捕获装置升温文冷却次数过多，所以无法捕获满足多的二氧化碳。”他弥补道：“以前没有一家机构运用CCS技能运营过可调度发电厂。没人真正知道动力功率和捕获率。因而，存在一些不确定性。”

    高本钱

    在Equinor和SSE方案制作一座全新的氢能发电厂的一起，西门子动力公司正以现有化石气体发电厂的改造以及新的“氢安排妥当”联合循环燃气发电设备的制作为其商业模式的基础。

    可是，Zindel指出，尽管将一座天然气发电厂改造成氢能发电厂“适当廉价”，但现在运用清洁氢能发电“在经济上没有意义。”他解说说，天然气比绿氢、蓝氢乃至有增无减的灰氢廉价得多。据估计，绿氢的本钱在每千克2.50～6美元之间，蓝氢的本钱在每千克1.50～4美元之间。假如清洁氢气的本钱是每公斤2欧元(合2.35美元)，可以使其与化石燃料具有本钱竞争力，“需求每吨二氧化碳价格到达200～250英镑，因而任重而道远”。现在，欧盟公布的碳价格约为每吨53欧元。清洁氢能要到2035年才干用于大规模发电，部分原因是在运送和重工业等其他职业运用氢能更具本钱效益。

    他表明：“咱们估计，氢能电气化将在2035年或2040年大规模完成——那时咱们真的有必要对电力职业进行深度脱碳。”

    Equinor表明，其Keadby氢能设备只要在“适当的方针机制到位的情况下”，换句话说，假如它得到大量补助，才干继续进行。

    Andersen说：“咱们的商场失灵了。”咱们正在研究一种商业模式，这种商业模式或许更适合某种差异合同。因而，承购商将为天然气买单，而蓝氢的生产商将得到某种补助[额定本钱]。

    为什么是现在?

    假如西门子动力不相信电力职业将在15～20年内运用氢能发电，那么它今日又为什么要营销氢燃料发电解决方案呢?

    Zindel说：“原因许多。其一，这是未来趋势，现在有必要开展工作，咱们的方案是具有10年内焚烧氢浓度到达100%的能力——因而，当咱们获得第一个真正的商业项目时，它现已可用了。”“咱们估计，在彻底脱碳的情况下，联合循环发电厂将成为供给剩余负荷的首要技能挑选，这些联合循环的运转时刻只要20～30%，不会再多了，由于体系中将有满足的风能和太阳能。”“其次——也是更重要的一点——咱们的客户现在需求制作天然气发电厂。所以，假如你有一个天然气发电厂正在制作，假设在2023～2024年投入商业运营，这意味着，这些发电厂在本世纪50年代仍将运营，届时咱们应彻底脱碳”“这意味着，从现在起即将制作的每座新的(燃气)发电厂都很或许在未来进行改造，以焚烧氢能。因而，咱们今日就为这些发电厂做好预备是十分重要的。这便是咱们所说的"氢安排妥当概念"。因而，咱们要确保咱们具有正确的材料，挑选正确的电气设备，[而且]咱们有满足的空间来供给额定的体系，这些体系将在电厂转换为氢能燃料时运用。”“咱们看到，至少在欧洲，简直每个客户都在谈论预备为他们的新发电厂运用氢能。而且，世界其他地区现在也十分积极地削减碳排放。这是咱们职业中一个十分重要的话题。”“他们看到核电站在其商业和技能生命周期结束前好久就已中止运转——他们现在也看到燃煤发电站也被要求离网……他们对资产停滞感到厌烦，因而他们希望现在的联合循环能为未来供给保护伞。”

    如何将燃气发电厂转化为氢能发电厂?

    氢气与天然气特性不同，例如分子更小，动力密度更低，会导致氢脆现象。因而，要使燃气发电厂可以运用氢能，需求做出许多改动。

    Zindel解说道：“体积密度下降首要对一切上游设备(燃气轮机、燃气体系)有所影响，需求添加燃料管道直径。”“因而，假如你知道发电厂将来要运用氢能，你需求直径更大的燃料管道。假如你想改造，你或许没有空间[用于更宽的管道]。”

    他解说说，“假如燃气轮机需求提升中轴线以容纳更宽的管道，"会被当即质疑改造的经济可行性。”

    其他改变或许包含新的电气和气体检测体系，以及——依据监管要求——添加挑选性催化还原(SCR)体系，以削减NOx排放(氢在富含氮气的空气中焚烧时发生的温室气体)。

    但最明显的改变是调整燃气轮机以焚烧氢气，这将需求改善焚烧室和新的焚烧器。

    Zindel说：“与天然气比较，氢气作为燃料，其反应率要高得多，火焰速度也更高。"这意味着火焰离焚烧器越来越近，有或许将发生回火现象。因而，需求新的防闪回焚烧器规划。一起，火焰温度稍高，意味着NOx排放量将会添加。”

    “然后一切都是关于……当焚烧室的空气流量现已很低时，如安在不损坏焚烧器的情况下发动或关闭设备?”

    “这或多或少是咱们面对的研发挑战——规划一个稳定、安全的焚烧器来焚烧氢气，一起使NOx排放在可控范围内。”

    “不行彻底消除，但可明显削减。”

    Zindel说，需求统筹剖析一切温室气体。因而，不仅是削减二氧化碳和NOx排放，还触及削减甲烷——一种强壮的温室气体——在运用天然气生成蓝氢时，会向上游排放甲烷。

    为什么不运用燃料电池呢?

    假如焚烧氢气总是会发生一些氮氧化物和温室气体，为什么不运用无排放的燃料电池将氢能转化为电能呢?

    “与燃气轮机联合循环比较，燃料电池是一项有竞争力的技能——但终究……出于经济考虑，”Zindel。

    “假如你看看功率，今日的联合循环技能…功率水平为63～64%。这现已高于一般的燃料电池——功率在60%以内。”

    “此外，联合循环发电厂的出资本钱也比(类似规模的)燃料电池廉价得多。(燃料电池)完成与联合循环的动力本钱平等化还需求数年。”

    “然后你要考虑燃气轮机具有更高的燃料灵活性，以及改造现有的天然气联合循环以焚烧氢气的或许性，这将进一步削减所需的出资。”

    “一切这些都说明，联合循环技能是未来氢能电气化的首要技能。燃料电池虽然是一项极具吸引力的技能，具有明显的改善潜力，但它的首要运用范畴是移动和小岛电网，而这些当地联合循环技能并不行行。”

    试点工厂

    Zindel解说说，西门子动力公司现在正在制作和调试三座试验性发电厂，这些发电厂要么焚烧100%氢气，要么焚烧富含氢燃料。

    两个新的商业热电联产工厂——一个在俄罗斯西部500MW，一个在巴西圣保罗州80MW——都将运用炼油厂的副产品氢气为这些炼油厂供给电力和热量，浓度分别为27%和60%。这两家工厂都在调试中。

    但可以说，西门子动力公司最重要的试点是法国的12MW的Hyflexpower项目，该项目将在现有的燃气热电厂运用100%的绿氢，为位于法国中西部的一家造纸厂供给电力和热量。

    Zindel说：“关于咱们新的焚烧器技能来说，这是一个很好的演示项目，它可以(焚烧)天然气和氢气之间的任何燃料组合，咱们估计到2023年，氢燃料浓度将到达100%，一起下降NOx排放。这将是咱们在该范畴的第一个真正的演示项目。”

    现有设备将由包含EngieSolutions、德国航空航天中心和四所欧洲大学在内的财团转换为氢能，并由欧盟委员会的地平线2020方案供给资金。

    “十分十分大的可是”

    Zindel表明，虽然西门子动力公司估计2035年之前不会大规模制作氢电厂，但有"一个十分十分大的可是"。

    他解说道：“立法需求采用脱碳路线——而且要快。"各国需求强制脱碳。与在下届选举中的3000万选民比较，对50家大公司实施脱碳目标要简单得多。”

    因而，电厂运营商面对的危险是，他们或许会更快地完成脱碳目标(比较估计)。他弥补道：“重要的是要明白，监管引领变革，由于现在这些技能都没有比现有技能更廉价。现在没有一家公司会改用氢能。”“无论是经过补助或碳税，进步二氧化碳证书价格，仍是经过约束排放或其他措施，真正实施这一转变的法规，迟早会到来。”“然后就取决于整个职业的体现了。”

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