氢燃料发电厂将在能源转型中扮演重要角色

译者按：氢能是全球能源转型与发展的新趋势，被誉为21世纪最有前途的能源之一。我国氢能产业的商业化步伐正在不断加快，一些地方和能源企业纷纷布局氢能产业与应用项目。但是我们对氢能的认知多局限于氢气储运与氢燃料电池等方面，对氢气燃烧发电领域没有给予足够的重视，基于此，中国航发燃机编译了这篇文章，以期引发行业更多有益的思考。

中国航发燃机一直致力于氢能的开发与利用，凭借燃气轮机与航空发动机技术同源的优势，实现了航空发动机燃烧技术和知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型号已实现扩散燃烧方式的富氢燃料发电应用，部分混氢燃烧发电项目的氢浓度最高达到了60%。目前，公司正在开展预混燃烧方式的富氢燃料干式低排放燃烧技术的开发，这也被国际能源巨头视为氢能工业化、规模化利用的主流路径。总体来看，中国航发燃机正为氢能大规模商业化利用储备技术，已具备开展零碳排放燃气轮机产品研制的基础。

以下为译文：

为什么氢燃料发电厂"将在能源转型中扮演重要角色"

西门子能源(Siemens Energy)和Equinor的高管认为，如果不燃烧清洁的氢能进行发电，电力系统的深度脱碳是不可能实现的。2021年7月29日10：38GMT更新2021年7月30日0：49GMT由Leigh Collins

乍一看，清洁氢能发电厂的概念似乎荒谬至极。为什么会有人用可再生能源制造绿色氢能，之后再燃烧氢能来发电?效率低于40%，每10千瓦时的风能或太阳能提供的电力不到4千瓦时。

为什么用碳捕获和储存(CCS)技术从天然气中制取蓝氢——加上甲烷改造和压缩/液化、运输和储存难以处理的氢气而产生的所有额外费用——当你可以在现有的燃气电厂中加入CCS技术时?

然而，西门子能源(Siemens energy)、Equinor和苏格兰公用事业公司(SSE)等大型能源公司认为，氢能发电厂的前景光明。为什么?

绿氢发电厂

德国西门子能源公司(Siemens Energy)去年从母公司剥离出来，向客户提供氢能发电厂解决方案。西门子能源公司氢能发电销售副总裁Erik Zindel表示：“如果将可再生能源转化为氢能并重新电气化，总循环效率不到40%，显然，只有将氢能用作长期储存和对各种可再生能源的补偿时，才有意义。”

“如果想几天、几周、几个月，甚至几个季度地储存电力——或者想从夏天到冬天都使用太阳能，亦或者想从秋天到夏天都使用风能发电——就需要以化学方式储存电力。”

“在冬季，当两三周都没有阳光和风时，你仍然需要(清洁的)电力——因此你需要氢能。”

Erik Zindel认为，大规模储氢也将有助于减少刮风/晴天期间风能和太阳能的削减。他解释道：“一旦你进入绿色氢能领域，就可以增加你希望在电网中构建的可再生能源数量，因为你可以利用多余的可再生能源(否则，这些可再生能源将因无法出售而被削减)。”

因此，通过电解(利用电力将水分子分解成氢气和氧气)，并且能够将多余的能量储存为氢能，你确实可以让可再生能源在电力系统中占据重要地位。反之，氢能很快就会受到限制，因为会有太多的多余的能量需要倾倒。但是，一旦你可以利用这种过剩的电力，你就可以将可再生能源成倍(两倍、三倍甚至四倍)增加。

蓝氢发电厂

挪威石油巨头Equinor和苏格兰公用事业公司SSE最近宣布了一项计划，计划最快10年内在英格兰东北部的Keadby建造一座全新的1.8GW氢燃料发电站。两家公司表示，这家电厂会用低碳蓝氢提供动力，并用于支持可变可再生能源，比如海上风能。那么，为什么蓝氢发电比使用CCS技术的天然气发电更有优势?

Equinor低碳技术副总裁Henrik Solgaard Andersen认为，在燃烧前阶段捕获碳比在燃气发电厂燃烧后捕获碳更具成本效益。“在[燃气发电站]的烟气中，压力非常低，二氧化碳浓度非常低…所以这非常困难，”他解释道。“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可能性就越小。最后，无法捕获。”

“在蓝氢电厂里，二氧化碳压力高。因此，最初有很多“针头”，这就是为什么与后燃烧电厂相比，蓝氢电厂可以获得更多二氧化碳的原因：压力非常高。所以可以降到[97-98%]。”

在一个不到50%运行时间的燃气发电厂获取二氧化碳的成本就更低了——就像Keadby备用发电厂那样。Andersen说：“无论运行时间长短，后燃烧方式(即采用CCS技术的天然气)电厂必须准备好在每次运行时捕获90%以上的(二氧化碳)。”“我们认为，所有这些启动和停止都意味着捕获装置升温和冷却次数过多，所以无法捕获足够多的二氧化碳。”他补充道：“以前没有一家机构利用CCS技术运营过可调度发电厂。没人真正知道能源效率和捕获率。因此，存在一些不确定性。”

高成本

在Equinor和SSE计划建造一座全新的氢能发电厂的同时，西门子能源公司正以现有化石气体发电厂的改造以及新的“氢就绪”联合循环燃气发电设施的建设为其商业模式的基础。

然而，Zindel指出，尽管将一座天然气发电厂改造成氢能发电厂“相当便宜”，但如今使用清洁氢能发电“在经济上没有意义。”他解释说，天然气比绿氢、蓝氢甚至有增无减的灰氢便宜得多。据估计，绿氢的成本在每千克2.50～6美元之间，蓝氢的成本在每千克1.50～4美元之间。如果清洁氢气的成本是每公斤2欧元(合2.35美元)，能够使其与化石燃料具有成本竞争力，“需要每吨二氧化碳价格达到200～250英镑，因此任重而道远”。目前，欧盟公布的碳价格约为每吨53欧元。清洁氢能要到2035年才能用于大规模发电，部分原因是在运输和重工业等其他行业使用氢能更具成本效益。

他表示：“我们预计，氢能电气化将在2035年或2040年大规模实现——那时我们真的必须对电力行业进行深度脱碳。”

Equinor表示，其Keadby氢能设施只有在“适当的政策机制到位的情况下”，换句话说，如果它得到大量补贴，才能继续进行。

Andersen说：“我们的市场失灵了。”我们正在研究一种商业模式，这种商业模式可能更适合某种差异合同。因此，承购商将为天然气买单，而蓝氢的生产商将得到某种补贴[额外成本]。

为什么是现在?

如果西门子能源不相信电力行业将在15～20年内使用氢能发电，那么它今天又为什么要营销氢燃料发电解决方案呢?

Zindel说：“原因很多。其一，这是未来趋势，现在必须开展工作，我们的计划是具备10年内燃烧氢浓度达到100%的能力——因此，当我们获得第一个真正的商业项目时，它已经可用了。”“我们预计，在完全脱碳的情况下，联合循环发电厂将成为提供剩余负荷的主要技术选择，这些联合循环的运行时间只有20～30%，不会再多了，因为系统中将有足够的风能和太阳能。”“其次——也是更重要的一点——我们的客户现在需要建造天然气发电厂。所以，如果你有一个天然气发电厂正在建设，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，届时我们应完全脱碳”“这意味着，从现在起将要建造的每座新的(燃气)发电厂都很可能在未来进行改造，以燃烧氢能。因此，我们今天就为这些发电厂做好准备是非常重要的。这就是我们所说的"氢就绪概念"。因此，我们要确保我们拥有正确的材料，选择正确的电气设备，[并且]我们有足够的空间来提供额外的系统，这些系统将在电厂转换为氢能燃料时使用。”“我们看到，至少在欧洲，几乎每个客户都在谈论准备为他们的新发电厂使用氢能。而且，世界其他地区现在也非常积极地减少碳排放。这是我们行业中一个非常重要的话题。”“他们看到核电站在其商业和技术生命周期结束前很久就已停止运行——他们现在也看到燃煤发电站也被要求离网……他们对资产搁浅感到厌烦，因此他们希望现在的联合循环能为未来提供保护伞。”

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，能源密度更低，会导致氢脆现象。因此，要使燃气发电厂能够使用氢能，需要做出诸多改变。

Zindel解释道：“体积密度降低主要对所有上游设备(燃气轮机、燃气系统)有所影响，需要增加燃料管道直径。”“因此，如果你知道发电厂将来要使用氢能，你需要直径更大的燃料管道。如果你想改造，你可能没有空间[用于更宽的管道]。”

他解释说，“如果燃气轮机需要提升中轴线以容纳更宽的管道，"会被立即质疑改造的经济可行性。”

其他变化可能包括新的电气和气体检测系统，以及——根据监管要求——增加选择性催化还原(SCR)系统，以减少NOx排放(氢在富含氮气的空气中燃烧时产生的温室气体)。

但最显著的变化是调整燃气轮机以燃烧氢气，这将需要改进燃烧室和新的燃烧器。

Zindel说：“与天然气相比，氢气作为燃料，其反应率要高得多，火焰速度也更高。"这意味着火焰离燃烧器越来越近，有可能将发生回火现象。因此，需要新的防闪回燃烧器设计。同时，火焰温度稍高，意味着NOx排放量将会增加。”

“然后一切都是关于……当燃烧室的空气流量已经很低时，如何在不损坏燃烧器的情况下启动或关闭设备?”

“这或多或少是我们面临的研发挑战——设计一个稳定、安全的燃烧器来燃烧氢气，同时使NOx排放在可控范围内。”

“不可完全消除，但可显著减少。”

Zindel说，需要统筹分析所有温室气体。因此，不仅是减少二氧化碳和NOx排放，还涉及减少甲烷——一种强大的温室气体——在使用天然气生成蓝氢时，会向上游排放甲烷。

为什么不使用燃料电池呢?

如果燃烧氢气总是会产生一些氮氧化物和温室气体，为什么不使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相比，燃料电池是一项有竞争力的技术——但最终……出于经济考虑，”Zindel。

“如果你看看效率，今天的联合循环技术…效率水平为63～64%。这已经高于一般的燃料电池——效率在60%以内。”

“此外，联合循环发电厂的投资成本也比(类似规模的)燃料电池便宜得多。(燃料电池)实现与联合循环的能源成本平等化还需要数年。”

“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燃烧氢气的可能性，这将进一步减少所需的投资。”

“所有这些都说明，联合循环技术是未来氢能电气化的主要技术。燃料电池虽然是一项极具吸引力的技术，具有显著的改进潜力，但它的主要应用领域是移动和小岛电网，而这些地方联合循环技术并不可行。”

试点工厂

Zindel解释说，西门子能源公司目前正在建设和调试三座试验性发电厂，这些发电厂要么燃烧100%氢气，要么燃烧富含氢燃料。

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——都将使用炼油厂的副产品氢气为这些炼油厂提供电力和热量，浓度分别为27%和60%。这两家工厂都在调试中。

但可以说，西门子能源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使用100%的绿氢，为位于法国中西部的一家造纸厂提供电力和热量。

Zindel说：“对于我们新的燃烧器技术来说，这是一个很好的示范项目，它能够(燃烧)天然气和氢气之间的任何燃料组合，我们预计到2023年，氢燃料浓度将达到100%，同时降低NOx排放。这将是我们在该领域的第一个真正的示范项目。”

现有设施将由包括 Engie Solutions、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计划提供资金。

“非常非常大的但是”

Zindel表示，虽然西门子能源公司预计2035年之前不会大规模建设氢电厂，但有"一个非常非常大的但是"。

他解释道：“立法需要采用脱碳路线——而且要快。"各国需要强制脱碳。与在下届选举中的3000万选民相比，对50家大公司实施脱碳目标要容易得多。”

因此，电厂运营商面临的风险是，他们可能会更快地实现脱碳目标(相比预计)。他补充道：“重要的是要明白，监管引领变革，因为目前这些技术都没有比现有技术更便宜。目前没有一家公司会改用氢能。”“无论是通过补贴或碳税，提高二氧化碳证书价格，还是通过限制排放或其他措施，真正实施这一转变的法规，迟早会到来。”“然后就取决于整个行业的表现了。”