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氫氣——燃氣發動機未來的燃料

發布者:admin 發布時間:2022-04-13

來源:北極星氫能網  作者:孫延嘉 王松  

歐洲的目標是到2050年實現碳中和能源系統。未來,除沼氣外,合成甲烷、甲醇和氫氣等合成燃料可以驅動燃氣發動機,從而加速從化石能源向可再生能源的轉變。目前,歐洲近 55%的已投運INNIO 顏巴赫燃氣發動機機群正在使用沼氣或生物甲烷。

脫碳的挑戰

如今,世界及其氣候的變化比以往任何時候都快。全球二氧化碳濃度平均值已超過 400 ppm。不同的方案詳細描述了如何減緩全球變暖,但它們的共同點是要求大幅削減或完全淘汰化石燃料。 歐盟議會制定了歐洲綠色協議,將當前的挑戰轉化為歐洲的機遇。

擺脫化石燃料將是未來幾年和幾十年的挑戰。作為 CO 2 排放的主要貢獻者之一,交通正朝著電動汽車的方向發展。 由于電池充電時需要即時電力,所以電能需要始終可用。這意味著風能和太陽能等知名可再生能源系統將強勁增長。 由于風能和太陽能并非一直可用,因此維持脫碳的關鍵是儲存電能。解決存儲挑戰是能源從化石能源向可再生能源轉型的重要組成部分。這使得解決存儲問題成為能源革命的重要組成部分。 為了明智地實現脫碳,需要大規模的存儲設施。 氫氣 (H2) 和合成燃料是一種潛在的解決方案,因為它們可以儲存更長時間?!?/span>1

關鍵挑戰——儲能

由于風能和太陽能等可再生能源的波動性,儲能是一個關鍵挑戰。 一方面,需要一個短期的解決方案來平衡一天內的波動。另一方面,季節性波動需要在半年期間存儲數TWh的能量,如圖 1 所示。它表明,使用電池進行儲能是一個可行的選擇,時間僅為幾個小時。 無碳燃料的季節性儲存必須遵循氫氣路線。 氫氣可以直接儲存或儲存在氫氣載體中(比如合成燃料)。

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1 不同儲能技術的容量與持續時間(? INNIO顏巴赫)

以化學形式儲存能量的所有儲存選項都以通過水電解產生的氫氣作為開始。氫氣可以直接儲存在地下洞穴中,也可以輸送到天然氣管道中,形成天然氣和氫氣的混合物。如果將氫氣送入管道,則可能具有不同的混合速率,這種情況目前是允許的。作為替代解決方案,純氫氣可以在管道中儲存或運輸,從而可以輕松利用純氫。下游工藝將能夠保持此類電解制氫 (PtG)中氫氣非常好的清潔度。例如,將氫氣加工成甲烷(也稱為合成天然氣,SNG)或其他合成燃料(e-fuels)具備諸多優勢。這些燃料可以在現有基礎設施中使用,無需進行大量的升級改造。因此,至少從最終用戶的角度來看,基礎設施改用無化石能源是很容易的。但這個過程有一個缺點,即需要二氧化碳。但這一將氫氣轉換成甲烷的工藝過程,其缺點是需要二氧化碳。盡管大氣中的二氧化碳濃度已創歷史新高,但對于分離工藝來說這個濃度還是太低。另一種選擇是將二氧化碳從發電廠的廢氣中分離,并將其用于生產合成燃料,如圖 2所示。

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2 顏巴赫燃氣發動機未來的角色 (? INNIO顏巴赫)

如果有可能生產出具有成本效益的合成燃料,那么放棄化石燃料將相對容易,因為最終用戶不需要對其資產進行任何更改——或者只需要很小的升級改造?,F在,此類示范項目已經出現,該技術可靠且有效——但與使用化石燃料相比,它的成本太高。

燃氣發動機的燃料

綠色合成甲烷將是天然氣的極好補充和替代。合成甲烷是通過氫氣的甲烷化生產的。這種合成甲烷具有與天然氣相同的物理特性,因此可以注入天然氣系統,即利用現有天然氣基礎設施。而現有以天然氣為燃料的設備,包括燃氣發動機,都可以繼續以目前的性能和排放標準可靠地運行。

氫能在替代化石天然氣方面發揮重要作用。它無碳,且可用作燃氣發動機的燃料。 在未來幾十年中,風電場和光伏裝置的進一步發展可以通過電解制氫(PtG,Power to Gas)提供綠色氫氣。 雖然氫氣不同于天然氣,但也可以通過管道和儲罐運輸,并且在某種程度上,可以使用現有的天然氣基礎設施。因此,氫氣可用于工業、供熱、運輸和發電等不同領域。

氫氣可以注入天然氣管道。在這種情況下,必須了解天然氣中氫氣的比例。 我們的建議是安裝一個氫傳感器來確定天然氣中的氫氣含量并相應地調整發動機。

氫氣作為燃氣發動機的燃料

燃氣發動機非常適合使用不同種類的燃氣,因此使用氫氣和氫氣-天然氣混合燃氣發電是可行的選擇。當然,根據氣體混合物的成分,我們需要對發動機進行不同的調整。

INNIO顏巴赫多年來一直在使用高氫含量的燃氣發動機。例如,有許多個使用鋼鐵生產工藝的過程尾氣或者氫氣含量高達 60 vol% 的合成氣(synthetic gases)的項目案例正在運行。最近的項目則是以氫氣與天然氣的混合燃氣為燃料,氫氣體積高達70 vol %。 在2020年夏季,第一座使用 0 100 vol% 的氫氣混合燃氣的熱電聯產電廠開始運行,如圖3所示。

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3 顏巴赫不同組分(H2含量)的燃氣發電項目 (? INNIO Jenbacher)

盡管效率和其他性能參數可能會受到影響,但新發動機的設計無不旨在可以使用多種不同類型的燃氣。而真正的挑戰是現有的燃氣發動機機群。燃氣發動機設計壽命可長達數十年,邊界條件所帶來的收益變化可能無法彌補更換全新機組所需成本。因此,燃氣發動機廠商必須開發升級套件以支持現有的發電廠繼續運行。

氫氣燃燒策略

INNIO 顏巴赫在利用非天然氣方面擁有豐富的經驗。其中一些燃氣,包括垃圾填埋氣和煤礦瓦斯,都是以甲烷為基礎,其燃燒行為類似于天然氣。另一大類燃氣,例如氣化或煉鋼過程產生的燃氣,是以氫氣和一氧化碳為基礎的。在這些燃氣發電應用中,氫氣含量可高達70 vol%。 這類燃氣的組分在正常運行中保持穩定,因此發動機可以設計為使用這些燃氣。 如果預計燃氣組分會發生很大變化,例如由多種類型氣體復雜地混合組成,則在發動機設計上需要付出更大的努力,并且必須接受發動機在性能上的妥協。

使用非天然氣的 INNIO 顏巴赫燃氣發動機版本與使用標準天然氣發動機的設計不盡相同。例如,INNIO顏巴赫6系列發動機的活塞設計。標準天然氣機組的活塞設計是平頂或非常淺的碗頂設計。燃氣預燃室在這里產生渦流以實現快速燃燒。 但具有高氫氣含量的燃氣無法通過預燃室燃燒系統實現安全地燃燒,這種情況下則應采用直接點火系統,由進氣渦流和能夠打破渦流的特殊形狀設計的活塞共同作用,在氣缸內形成預設等級的渦流。如圖 4所示。

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4 碗狀燃氣活塞示例 (? INNIO Jenbacher)

穩定氫氣燃燒的主要驅動因素是燃燒策略,從混合氣制備、進氣運動、進氣點火到主要燃燒過程本身,以及進氣策略。然而,特別是對于具有高氫氣和/或一氧化碳含量的氣體,可以觀察到異常燃燒現象,如圖5所示。循環開始燃燒加速,隨后轉為自燃,但不發生爆震。 因為沒有爆震,標準發動機控制系統無法監測這些現象,可能造成發動機嚴重損壞。通過缸內壓力控制系統,可以發現并監控這些燃燒現象,從而能夠安全、穩定地運行發動機。

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5 燃燒現象:天然氣含爆震循環()和氫氣自燃循環()示意圖(? INNIO Jenbacher)

我們的實踐之旅

實踐1

2008年,Hychico建造了一個風電場和一個利用水電解技術的綠色制氫廠。位于阿根廷巴塔哥尼亞的試點項目通過6.3MW風電場進行發電,平均容量系數約為50%。一部分來自風能的可再生能源被用于一個電解廠的運轉,每小時可生產120Nm3的高純度氫氣和60Nm3的氧氣。Hychico工廠生產的高純度氫氣 (99.998%)將被儲存到地下儲罐中。為了更好地評估大規模地下儲氫的潛在效益,Hychico 與歐洲 HyUnder組織合作,共同努力為氫氣儲存提供技術、經濟和社會等方面的評估。在研究地下儲氫的同時,氫氣與天然氣混合燃氣也已經用于顏巴赫的燃氣發動機。

顏巴赫J420燃氣發動機可以使用當地生產的天然氣與氫氣的混合燃氣運行(氫氣體積比例最高可達42%),性能優異,排放更低。只有在混合燃氣中的氫氣比例極高時,發動機的輸出才需要調整,以保持穩定運行。能夠使用以任意比例的天然氣/氫氣混合燃氣,這一燃料靈活性使顏巴赫J420燃氣發動機成為將儲存氫氣轉化為電力的理想技術。自2008年在Hychico工廠投入運行至今,這臺久經考驗、經濟高效的燃氣發動機的運行時間已超過70,000小時。

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實踐2

2020年,在INNIO HanseWerke Natur 合作,打造了一個氫氣利用旗艦示范項目,1 MW J416 燃氣發動機能夠使用可變比例的氫氣/天然氣混合氣體,或者使用 100% 氫氣。該項目位于德國漢堡Othmarschen地區,升級后的熱電聯產(CHP)能源站已開始進行現場測試,這個INNIO顏巴赫1兆瓦的試點能源站是世界上第一個兆瓦級的大型燃氣發電系統。完成升級后的熱電聯產能源站將為30棟住宅樓、一個體育中心、一個托兒所和Othmarschen公園休閑綜合體供能,每年可以為當地提供相當于13,000MWh的熱能。產生的電能則被輸送到Othmarschen多層停車場的電動汽車充電樁及當地電網。

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實踐3

作為屢獲殊榮的歐盟HyMethShip項目的一部分,2020年,INNIO顏巴赫與位于奧地利格拉茨的大型發動機技術中心 (LEC),展開氫能利用的合作研究,進一步探索可持續、高度靈活且二氧化碳零排放的發電應用。項目采用了第一臺使用100% 氫氣的2MW發動機,除了氫氣,項目也在驗證以100% 使用來自可再生能源的氫載體氣體甲醇為燃料。

在驗證直接發動機技術的同時,INNIO LEC 還合作研究新的傳感器技術以及數據處理,這兩者都是可持續性方面不可或缺的組成部分。 如今,全球安裝的顏巴赫燃氣發動機中有 60% 通過 INNIO myPlant 軟件進行在線監控。 INNIO也因此成為數字化熱電聯供的先驅。憑借其數字化戰略和新的COMET模塊“LEC HybTec”,LEC 在融合物理和數據驅動的仿真模型方面樹立了新標準。 這促使了全新的人工智能方法和學習方法的發展,這些方法提高了可持續大型燃氣發動機的研究和開發的標準。

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結論

脫碳能源供應的一個關鍵要素是有效儲存可再生能源。 有效的短期和長期存儲解決方案至關重要。根據目前的發展狀況,最具前景的解決方案之一是氫基儲存,可以直接使用氫氣(在洞穴或管道壓力下)或使用合成生產的碳氫化合物,如甲烷或甲醇。 在可再生能源(風能和光伏)供應不足時,這些氫基燃料可以轉換回熱能和電力。為了能夠安全利用各種氫氣濃度,尤其是在使用現有天然氣基礎設施時,INNIO 將繼續加大研發領域的投入。 這些措施旨在通過種類廣泛的各種燃氣(如高達 100% 的氫氣)實現熱電聯產,以幫助建立 100%的碳中性和無碳發電廠。

參考文獻

1Laiminger, s.: Hydrogen as future fuel for gas Engines. 29 th CIMaC Congress, Vancouver, 2019

原文作者

Stephan Laiminger, 首席技術專家, Jenbacher GmbH & Co OG.

Michael Url, 高級工程師, Jenbacher GmbH & Co OG.

Klaus Payrhuber, 產品經理, Jenbacher GmbH & Co OG.

Martin Schneider 高級產品經理, Jenbacher GmbH & Co OG.

中文譯者

孫延嘉 顏巴赫(中國)

王松 顏巴赫(中國)


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