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制氢与燃气技术,是演进不是革命

2021-01-15 14:13:45 5e   作者: 镜清  

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氢是宇宙中最丰富的元素。工程师们正在努力克服大规模制氢燃料和改造燃气涡轮机以燃氢的挑战。

美国ASME网站,去年12月10日发表德国西门子公司英国林肯市西门子工业涡轮机械公司行业营销经理迈克尔·韦尔奇(Michael Welch)的专栏文章,谈零碳技术中的制氢与燃气发电问题。[1] 这是一篇通俗、普及知识的文章,对非专业人员是“扫盲”,也用他的实践经验,阐明了某些容易忽略的“误区”。Welch强调制氢与燃氢发电的必要性,但要实践、逐步改进,不是“革命”。他特别讲到其中的“政治”,或许更值得注意......

据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的数据,今年可能是开始测量温度以来最热的一年。尽管由于新冠病毒疫情大流行导致排放量暂时减少,但据估计2020年的气温有75%的可能性会打破2016年创下的纪录。全球气温继续上升的趋势,正在改变我们星球的气候。

2015年,近200个国家同意通过控制排放,应对气候变化的威胁,以便控制全球平均气温增幅比工业化前的水平高2摄氏度的范围内,并努力将增幅控制在1.5摄氏度以内。为了达到这些排放目标,许多国家和国际组织,包括欧盟,都计划在2050年前实现碳中和。2019年4月发表在《应用能源》(Applied Energy)杂志上的一项研究指出,使用正确的技术,有可能到2070年将工业温室气体的排放量减少到“净零”。

目前,世界30%-40%的电力来自燃气涡轮机,其中大部分是天然气或其他排放二氧化碳的液态燃料驱动的,二氧化碳是气候变化的主要原因。有鉴于此,制造商们正在寻找宇宙中最丰富的元素氢,作为涡轮机发电的燃料来源。因此,将天然气系统转换为燃氢燃料而不是碳基燃料,可能是能源工业脱碳的一个重要环节。

尽管花费了数十亿美元的研发(R&D)来创造这种能力,已证明从现成的分子中提取氢是困难的、能源密集型的燃料。绿色领域的许多人正在推动利用风能和太阳能,开采稀土元素。然而,从经济角度看,目前所需的资源数量使这些想法有挑战性。氢是一种清洁燃烧的燃料,但它的生产却远非清洁或简单,至少目前如此。

然而,还有其他方法,可以“走向”燃氢经济。与现在使用的100%天然气发电涡轮机不同,可以使用天然气和氢气的混合物,帮助减少碳排放量,同时逐步应对使用新燃料的挑战。然而,要想进一步发展,技术、经济和政治上的挑战必须单独解决,并使它们相结合,为氢在能源领域变得更加普及开辟道路。

从灰到蓝再到绿

燃气轮机将天然气等燃料转化为机械能的方法,是将外界正常大气压下的环境空气吸入,并将它的压力增加到约15到30个大气压。然后,发动机将空气引入燃烧罐,与燃料混合。燃料被点燃,产生热气体、通过涡轮级膨胀,带动整个燃气涡轮机旋转,驱动发电机、泵或压缩机。

根据这个简单的原理,从燃烧的角度看,主要目标是将空气和燃料混合,从而产生高温气体,在980-1370 ℃的温度下进入涡轮级。其结果是在590 ℃左右的温度下排出废气,意味着这种工艺能够在开放式循环配置下提取约40%的燃料能量。不过,这种涡轮机的燃料来源通常是天然气、液化石油气,替代能源如柴油甚至沼气也很常见。

然而,这些燃料的共同点是,它们都是碳基燃料。也就是说,当它们燃烧时,会产生二氧化碳,作为副产品主要的温室气体。

另一方面,认为环境中丰富的元素氢是一种清洁的燃料来源。氢能量密度高,几乎零污染,本身不以气体形式存在,可以在有机物质、水和碳氢化合物中找到。这些碳氢化合物构成了汽油、甲醇和天然气等燃料。供使用的氢,需要通过加热或电解,从它的化合物中提取、制备。

通过添加蒸汽,从天然气中提取氢气会产生二氧化碳,是副产品,目前被排放入大气。每提取1公斤氢气,就会产生8-10公斤二氧化碳。这种高排放制备的氢,称为“灰氢”,二氧化碳排放总量比只燃烧天然气还严重。

为了减少这种污染,需要有个捕俘、存储和隔离二氧化碳的过程。这样产生的氢被称为“蓝氢”。它可以将每燃烧1公斤氢的二氧化碳排放量减少到1-1.5公斤,大幅降低发电的碳强度。

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由于氢分子很小,大多数材料都密封不住。人们必须使用正确类型的钢材,没有任何橡胶或非金属密封。目前的安全措施需要根据新的燃料组合进行调整。

由于这些原因,环保倡导者已推动使用风能和太阳能为电解装置(用电使水分离成氢和氧的设备)提供动力,输入水,提取氢气,唯一的副产品是氧气。这种发电方法的问题是,所需的初始投资成本比传统的天然气发电装置高很多。因为除了动力装置外,还需要大型风能和太阳能发电场,以及电解装置。

这个想法也有个问题,为什么要用电来生产所谓的“绿氢”,而不直接出售电力?这个提议只是说,在风力发电与负荷需求相比太多,或者输电系统不能处理这么大的量时,可以直接用过多的风能制氢,做中-长期存储,而在风力发电不足时用氢气发电。这种办法的问题是,制氢与储存设施的开支使基建成本再次升高。所以,目前工业氢气的价格是 $1-2 /kg,甲烷蒸汽重整和碳捕获的蓝氢可能是 $1.5-2.5 / kg,而在短到中期内,电解绿氢的成本为 $3-5.50 / kg。某些分析人士预测,在可再生能源资源丰富的地区,绿氢的成本可能降至目前工业氢气的水平,而且肯定能达到与蓝氢相当的水平。然而,这就相当于燃料价格为 $18 / mmbtu(百万英热单位),远远高于天然气。

此外,风能和太阳能是间歇性的。以容量因子45% 左右的海上风场电解制氢项目为例,产生连续的氢气流4-4.5吨 /小时,需要1 GWe规模的风场、约500MW的电解槽和1000吨的氢气储罐。虽然这种规模的装置可能适合为工业或运输行业提供氢气,只是产生的氢气量不足以驱动一台50 MWe的燃气轮机;然而可以看到挑战的规模: 仅为提供当前工业所需的绿氢,就需要大量的可再生能源。

如果目标是使用绿色能源发电,需要现在可再生能源装机容量的许多倍,需要几万亿美元的投资和多年的建设,还要留出大片陆地或海洋地区,以满足太阳能光伏(PV)设备和风力发电场的需要。如今,每年大约有7000万吨(或者说每小时8000吨)的“灰”氢用于工业。一台50MW的燃气轮机每小时消耗约4.5吨氢,每小时8000吨氢气约相当于100 MW的发电能力,而目前安装的基于天然气发电的容量是1644 GW,预测到2050年将上升到3000 GW。如果完全用氢取代天然气,全球的氢气产量需要增加30倍,这还没有考虑取代工业和家庭供暖的天然气用量。

为什么要氢?

要使能源工业脱碳,或者在许多国家,要使家庭供暖脱碳,并没有一种简单的方法。那些生活在冬天气候寒冷地区的人,比如英国或美国东北部,用天然气取暖和做饭所消耗的能量是他们用电的四倍。如果所有人都在家中改用电加热,需要的发电站数量将是目前的5倍,或可再生能源的20到30倍。还需要五倍的输配电能力,所有这些都是“严重”的挑战。

此外,为取代天然气或煤炭燃烧,只是用电动方案简单地改造工业过程,在技术上或经济上并不总是可行的,所以需要用更清洁的燃料取代化石燃料。更务实的办法是把氢作为家庭和工业应用的燃料。在西门子,Welch就曾参与奥钢联集团(Voestalpine)在奥地利林茨(Linz)的项目。它是欧盟资助的H2Future项目,使用绿色能源制氢,用于钢铁厂的钢铁生产,取代某些焦炭或煤炭。[2] 另一个化石燃料替代的例子是Cadent公司在英国基尔大学的HyDeploy项目[3],涉及将氢气混合到天然气管网,体积可高达20%,这样就可“部分”地脱碳大学的热网。

目前,全球安装的燃气轮机,使用富氢燃料的不到1%,而意大利只有一家炼油厂,声称使用100%的氢燃料。炼油厂内燃料气体的成分每小时都在变化。因此,必须设计一个系统,让它在不同的运行时间使用不同的燃料。例如,为巴西石化公司Braskem设计的一个炼油厂项目,这个系统可以在氢气浓度从0到60%(按体积计算)的情况下运行,而不会对性能产生影响。

尽管没有达到人们所期望的零碳排放,但富氢的气体混合燃料能减少CO2的排放量,足以对全球的排放产生影响。例如,使用20% 氢气和80% 天然气的混合物,二氧化碳排放量可以减少约7%。将混合物的氢含量增加到60%,可以减少大约20% 的二氧化碳排放。这种技术现在就可用于降低CO2排放,并使全球气温上升限制在2 ℃以下的“轨道”,同时帮助氢经济以所需的速度发展,到2040年或更早实现净零碳排放。当然,这些数字并不是许多人希望立即看到的大幅度消减,但是朝着正确方向迈出的一步。

两步目标

2019年1月,欧洲的燃气轮机制造商(基本上包括世界上每个主要的燃气轮机供应商),通过欧洲行业协会EUTurbines宣布的协议承诺,到2020年,它所提供的燃气轮机,能够用容积20%的氢与天然气混合运行;到2030年,为客户提供的燃气轮机能用100%的氢气运行。虽然最终的目标是使用100%的氢气,但很明显,要实现这个目标并不容易。最初,大多数涡轮机很可能用混合燃料运行,而不是100%的氢气,因为根本没有足够的氢气可用。只使用氢气做燃料,以负担得起的成本获得足够的氢气,是个重大的挑战。

例如,西门子曾在瑞典的Finspong制造厂对燃气轮机进行了30分钟的发动机整体试验,实际上要找到该国所有剩余的氢气,而且要把搜索范围扩大到周边国家。现在根本没有足够的可用资源。

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环保人士推动使用风能和太阳能为电解装置(即用电力将水分离成氢和氧的设备)提供动力制氢。输入的是水,唯一副产品是氧。

为了弥补这个不足,欧洲的某些项目,特别是英国,正致力以合理的成本提供充足的氢气,以便启动工业部门脱碳,并用大量氢气取代天然气。英国已经确定为6个产业集群的工业和发电脱碳研究,提供额外的资助,其中的某些集群提议使用“蓝”氢和碳捕获技术。

这个挑战 一旦得到满足,涡轮机还需要进行改造,以适应新的混合燃料。燃烧系统是个需要改变的主要领域。目前是为天然气设计的,特定的可燃性范围和燃烧速度与主要含有甲烷的燃料相同。

另一方面,氢的燃烧速度快得多,约是甲烷的10倍,而且可燃性范围更广,会在不需要的时间和地点燃烧。因此,需要重新设计燃料注入器,使创建的燃烧系统能与火焰轮廓和位置“匹配”。此外,由于氢焰燃烧温度比天然气焰高,也会出现热氮氧化物(NOx)增高。

把氢气引入燃烧系统的下一个挑战是氢分子很小,大多数材料都密封不住。必须使用正确类型的钢材,而且没有任何橡胶或非金属密封。现有的安全措施,需要根据新的燃料组合做出调整。例如,标准的天然气用的瓦斯探测器,无法检测氢气泄漏。

此外,氢燃烧时会产生不同颜色的火焰,因此设计用来检测天然气蓝色火焰的火焰探测器无法“感知”氢焰,实际上肉眼看不到氢焰。

对这些挑战,已有充分的了解,也制定了各种解决方案。从技术角度看,燃气轮机行业有信心在某个时刻实现100%燃氢的低排放。因此,最大的挑战是经济:有足够的、成本合理的氢气,使能源的成本最终不会比现在的开支高出2-3倍。

为此,目前几乎所有的涡轮机制造商都在响应行业需求,解决这个问题。全球、特别是欧洲政界人士,都在推动脱碳。而且,无论如何使用化石燃料,提高涡轮机的效率,都无法达到减排的目标。因此,要么在电厂进行碳捕俘,要么使用零碳燃料。

此外,天然气管道公司之所以对这项技术感兴趣,因为到本世纪30年代中期,如果政界人士决定不再使用化石燃料,将会有数千英里长的管道成为“搁浅”的资产。因此,天然气公司正在研究如何重新利用这些资产,输运二氧化碳,或者通过现有的管道系统,输运天然气和氢气。再利用现有的基础设施资产,可能对于降低能源转型的成本,至关重要。

对于涡轮机制造商,主要的挑战是氢气从哪里来。这是市场和政治家们需要认真思考的问题。如果还要再花费30年时间才能有足够的氢气驱动涡轮机发电,那么在2030年前推动研究人员和公司开发100%的燃氢涡轮机是没有意义的。

如果要推动企业在研发上投入数百万美元,创造100%的燃氢能力,就要有足够的燃料来运行燃气涡轮机。虽然风电场、电解装置和零碳污染的的绿氢是个好主意,但如要求一个1000 MW的风电场连续运行一个50 MW的燃气涡轮机,这种计划是不切实际的。因此,需要更严肃地看待各种甲烷重整方案和碳捕获。

这是政治

利用氢气做燃料,虽然存在技术和环境方面的挑战,但往往忽视总体政治层面的问题。此外,每个地区或国家的政治各不相同,能源战场也变成了不同方法的拼图,就像个多方设计、多边纤维的“棉被”。

例如德国就不相信“碳捕俘”,因为它没有任何适宜的地质构造储存捕俘的二氧化碳。但如挪威、英国和澳大利亚,对碳捕俘与封存非常满意,因为它们有废弃的海上油田和气田,可以储存捕俘的二氧化碳。实际上,挪威多年来一直在乌齐拉(Utsira )的近海含水层“扣押”二氧化碳。美国多年来一直在利用二氧化碳提高德克萨斯州二叠纪盆地的石油采收率,而在怀俄明州,也和加拿大人一样,多年来一直用于最大限度地提高老油田的石油采收率。

此外,许多政府不想放松环境立法,要达到与天然气类似的排放水平,这是个挑战。因此,如果这些政府坚持用氢气降低碳和氮氧化物的排放量,单靠涡轮机是不够的。这意味着必须有燃烧后尾气净化系统,才能达到NOx个位数的水平,而这必将进一步提高电力成本。最终的结果是电厂和燃料更加昂贵,使能源成本上升,直至成为政治“禁忌”。因为,每个人都想要清洁能源,但没有人愿意为此付出更多,对未来至关重要的是消除能源贫困。

这项技术取得成功的核心,在于找到技术、经济和政治的平衡,使我们能每天24小时、每周7天、一年365天都有充足的清洁电力。这是个有多种战略的复杂领域,需要各方都做出妥协,才能使整个氢经济朝着正确的方向发展。

也许可以从过去的经验中吸取教训:其中一个例子是生物质气化倡议,各种努力集中在知识研究上,进行各种研究并试图找到最终的、最佳可能方案是什么,创造了个环境,结果什么也没有建成。通过建立商业规模的示范装置,重复设计并从中学习,当然可以更快地降低成本,而不是通过更多的研究和开发,尝试和改进的幅度仅为1%。首先建个装置,证明它、测试它,然后可以追溯和尝试降低10%或15%的设施成本,通过重复设计和学习继续削减成本,而不是向全球承诺,但不兑现。

幸运的是,欧洲各国政府已变得更加务实,认为这才是需要采取的步骤。它们承认,虽然最终寻求减排和低成本的效率不高,但能从今天达到2040年需要的水平,无需试图一次性实现革命性飞跃的失败,而更像个进化过程。在欧洲这个政治舞台上,有良好的支持和现实的做法。

资料与注释:

1. Michael Welch,Hydrogen Evolution or Revolution?,ASME,Dec 10, 2020

2. H2Future:欧盟资助的降低CO2的能源未来与钢铁生产脱碳的旗舰项目。在林茨的voestalpine现场,H2Futrue项目财团,包括钢联、西门子、VERBUND(一体化)和奥地利电网,与研究伙伴K1-MET和ECN一起,正式批准建设世界上最大的生产“绿色”氢的中试装置。工业和发电领域的合作伙伴要利用该设施,研究未来实现全球气候目标所需的突破性技术。

3. HyDeploy:英国基尔大学(Keele University)的一项开拓性的绿色能源试验,旨在帮助英国减少碳排放,并为低碳氢经济打开大门。HyDeploy的演示装置向大学现有的天然气管网注入高达20%(按体积计算)的氢气,供应100户家庭和30栋教职大楼。现已全面投入使用。




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责任编辑: 李颖

标签: 制氢 燃气技术