西門子能源和 Equinor 的高級管理人員表示，如果不燃燒清潔的氫氣來發電，電力系統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。

為什么有人會使用可再生能源來制造綠色氫氣，然后將其燃燒以發電？往返效率將低于 40%，因此每 10 千瓦時的風能或太陽能將提供少于 4 千瓦時的電力。以及為什么有人會通過碳捕獲和儲存 (CCS) 從天然氣中制造藍色氫氣——加上甲烷重整和壓縮、液化、運輸和儲存難以處理的氫氣的所有額外費用——將 CCS 添加到現有的燃氣發電廠？

然而，為什么西門子能源、Equinor 和 SSE 等主要能源公司認為，氫燃料發電廠有著光明的未來？

綠色氫能發電廠

德國的西門子能源公司——去年從其母公司西門子公司剝離出來——現在正在為客戶提供氫燃料發電廠解決方案。

“如果我有可再生能源，將其轉換為氫氣并重新通電，總循環效率低于 40%，顯然只有當你使用氫氣作為可變可再生能源的長期儲存和補償時，這才有意義， ”西門子能源氫能銷售副總裁 Erik Zindel 說。

“如果你真的想 [儲存電力] 數天、數周、數月，或季節性儲存——冬天使用太陽能從夏天開始，或從秋天到夏天使用風力——你需要將電力儲存在一個化學方式。你仍然需要在冬天黑暗的低迷時期使用 [清潔] 電力，那時兩到三周沒有太陽，也沒有風——你需要有氫氣供應。”Erik Zindel 表示，大規模儲氫也將有助于減少刮風/晴天期間風能和太陽能的削減。

“一旦你進入綠色氫領域，你就可以增加你想在電網中建造的可再生能源的數量，因為你可以利用多余的可再生能源”Zindel解釋。

“因此，通過電解，并能夠將多余的能量存儲為氫氣，您可以真正讓電力系統大幅擴展可再生能源。因為如果你不這樣做，它很快就會受到限制，因為你必須傾倒太多多余的能量。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量增加一倍、三倍、四倍。”

成本高

在 Equinor 和 SSE 計劃建造一個全新的氫電廠的同時，西門子能源正在將其商業模式基于現有化石氣電廠的改造，以及建造新的“氫氣就緒”聯合循環燃氣電廠。

“然而，盡管將燃氣發電廠改造成使用氫氣運行會“相當便宜”，但如今使用清潔氫氣發電在經濟上沒有意義”，Zindel 說。

他解釋說，天然氣比綠色、藍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在 2.50-6 美元/公斤之間，藍色氫氣的成本在 1.50-4 美元/公斤之間。

Zindel 說，如果清潔氫氣的價格為每公斤 2 歐元（2.35 美元），要使其與化石天然氣具有成本競爭力，“將需要每噸 200-250 歐元之間的二氧化碳價格，所以它仍然很遙遠”。在發布時，歐盟碳價格約為每噸 53 歐元。

Zindel 認為，清潔氫要到 2035 年才會用于大規模電力生產——部分原因是在運輸和重工業等其他行業使用氫會更具成本效益。

“我們預計氫電氣化將在 2035 年或 2040 年代大規模發生——那時我們真的必須對電力部門進行深度脫碳，”他說。

Equinor 表示，其 Keadby Hydrogen 設施只會“在適當的政策機制到位的情況下”繼續進行。換句話說，需要大量的補貼支持。

“我們遇到了市場失靈，我們正在研究一種可能更適合某種生產商差價合約的商業模式。因此，承購商將為天然氣支付價格，而那些生產藍氫的公司將獲得某種補貼來支付額外成本。”

為什么是現在？

如果西門子能源不相信電力部門將在未來 15-20 年內使用氫能發電，那么它今天為什么要營銷氫燃料發電解決方案？

“出于各種原因，”辛德爾說。 “第一個是，我們知道這是未來，所以我們現在必須開始工作，我們的計劃是在 20商業項目。

“我們預計聯合循環發電廠將成為在完全脫碳電力場景中提供剩余負荷的主要技術選擇，這些聯合循環僅運行 20-30% 的時間——不會更多，因為你將有足夠的時間系統中的風能和太陽能。”

他繼續說道：“第二點——也是更重要的一點——是我們的客戶今天需要為天然氣建造發電廠。因此，如果您今天正在建造一座天然氣發電廠，并在 2023-24 年進行商業運營，那么典型的預期壽命意味著這些發電廠在 2050 年代仍將運行，那時我們應該完全脫碳。”

“這意味著從現在開始建造的每座新的燃氣發電廠很可能都必須在未來進行改造以燃燒氫氣。因此，我們今天準備植物來做到這一點非常重要。這就是我們所說的“氫準備概念”。 因此，我們確保我們擁有正確的材料，選擇了正確的電氣設備，并且我們有足夠的空間來安裝額外的系統。”

“我們看到，至少在歐洲，幾乎每個客戶都在談論他們新發電廠的氫氣準備情況。但世界其他地區現在也變得非常積極。所以這是我們行業中一個非常重要的話題。他們已經看到核電站在其商業和技術生命周期結束之前很久就停止運行——他們現在看到燃煤電站也被從電網中撤出……他們擱淺資產，因此他們希望確保今天構建的聯合循環是面向未來的。”

如何將燃氣發電廠轉化為氫氣？

氫氣與天然氣具有不同的特性——例如，它是一個較小的分子，具有較低的能量密度并導致鋼脆化——因此需要進行各種改變以使燃氣發電廠能夠使用 H2 運行。

“較低的體積密度主要影響所有上游設備——燃氣輪機、燃氣系統，你需要直徑更大的燃料管，”Zindel 解釋說。

“因此，如果您知道未來發電廠將不得不使用氫氣運行，那么您可以使用正確的材料——首先建造更大直徑的管道。”他解釋說，如果渦輪機需要提升其中心軸以容納更寬的管道，“這會立即質疑改造的經濟可行性”。

可能需要的其他更改包括新的電氣和氣體檢測系統，以及根據監管要求添加選擇性催化還原 (SCR) 系統以減少一氧化二氮 (NOx) 排放（產生的溫室氣體），當氫氣在富氮空氣中燃燒時。

但最顯著的變化是使燃氣輪機能夠燃燒 H2，這需要改變燃燒室和新的燃燒器。

“與天然氣相比，氫氣作為燃料具有更高的反應性和更高的火焰速度，”Zindel 說。 “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險。因此，您需要一種防回火的新型燃燒器設計。同時，你必須有一個稍高的火焰溫度，這意味著氮氧化物排放量會增加。”

“然后就是……當通過燃燒室的空氣流量很低時，如何在不損壞燃燒器的情況下啟動或關閉設備？”

“這或多或少是我們面臨的研發挑戰——設計一種穩定且安全的燃燒器來燃燒氫氣，同時控制氮氧化物排放。你不能完全消除它們，但你可以顯著減少它們。”

Zindel 說，需要對所有溫室氣體有一個整體的看法。因此，這不僅涉及減少 CO2 和 NOx，還涉及減少甲烷——一種強大的溫室氣體——當使用天然氣生產藍色 H2 時會向上游排放。

為什么不使用燃料電池？

如果燃燒氫氣總是會產生一些氮氧化物溫室氣體，為什么不使用無排放的燃料電池將氫氣轉化為電能呢？

“與帶有燃氣輪機的聯合循環相比，燃料電池是一項具有競爭力的技術——但最終……它真的與經濟有關，”津德爾說。

“如果你看看效率，今天的聯合循環技術有 63-64% 的效率水平。因此，這已經高于通常限制在 60% 的典型燃料電池。那么聯合循環發電廠的投資成本也比類似尺寸的燃料電池便宜得多。如果有的話，燃料電池接近聯合循環的 LCOE平均能源成本還需要很多很多年的時間”

他繼續說道：“然后，您需要考慮燃氣輪機更高的燃料靈活性以及改造現有天然氣聯合循環以燃燒氫氣的可能性，這將進一步減少所需的投資。

“所有這些都說明聯合循環是未來氫氣再電氣化的主要技術。盡管燃料電池是一項極具吸引力且具有顯著改進潛力的技術，但其主要應用領域將是機動性和聯合循環不可行的小島電網。”

中試工廠

Zindel 解釋說，西門子能源目前正在建設和調試三個試點發電廠，它們將燃燒 100% 的氫氣或富含氫氣的氣體混合物。

兩個新的商業熱電聯產廠——俄羅斯西部的一個 500MW 設施和巴西圣保羅州的一個 80MW 項目——都將使用煉油廠的副產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，這兩個工廠都在調試中。

但可以說，西門子能源最重要的試點項目將是法國的 12MW Hyflexpower 項目，該項目將在現有的燃氣熱電聯產廠使用 100% 綠色氫氣，該電廠為法國中西部的一家造紙廠提供電力和熱量。

“對于我們的新燃燒器技術來說，這是一個很好的示范項目，它能夠[燃燒]天然氣和氫氣之間的任何燃料組合，我們預計到 2023 年將實現 100% 的氫氣和低氮氧化物排放，”Zindel 說。 “這將是我們在該領域的第一個真正的示范項目。”

現有設施將由包括 Engie Solutions、德國航空航天中心和四所歐洲大學在內的財團轉換為氫氣，并由歐盟委員會的地平線 2020 計劃提供資金。

來源作者：Leigh Collins