商用可燃氢涡轮机交付,欧洲强化氢链装备制造优势

中国产业促进会氢能分会从外媒获悉,小型燃气轮机制造商AureliaTurbines日前已从芬兰工厂将首台商用涡轮机发送给客户。

本次发货的涡轮机A400适用于在分散电网中作为小型热电联产(CHP)电源进行部署。

值得注意的是,这款涡轮机能够使用包括氢气在内的多种可再生和非标准燃料,可促进可再生能源发电消纳,并为电网提供更多灵活性。

商用可燃氢涡轮机交付,欧洲持续加强氢链装备制造优势

AureliaTurbines首席执行官MattiMalkamäki表示,在可再生能源产量不断增长的推动下,全球对新型氢能源解决方案的需求不断增长,Aurelia的目标是满足未来更清洁、更灵活的发电需求。

技术创新助力燃氢涡轮机商业化

AureliaTurbines成立于2013年,以开发商业化高效小型燃气轮机著称,本次最新推出的400kWe燃气轮机A400,发电效率超出40%,比目前市场上其他微型涡轮机高出20%,可被工商业终端用户广泛用于供电、供热或供冷。

传统燃气轮机使用氢作为燃料会面临一系列挑战,首先含氢气体的燃烧速度对于常规燃气轮机而言过高,可能导致喷嘴融化;其次,氢气反应活性高,层流燃烧速度高,氢安全控制难度大;再次,氢的体积能量密度比天然气低3倍以上;最后,设备用钢还需要解决氢脆问题。不作任何改造下,通常掺氢比例需要控制在5%以下。

商用可燃氢涡轮机交付,欧洲持续加强氢链装备制造优势

为适用氢等多种燃料,资料显示,Aurelia优化了传统燃气轮机燃烧室设计。燃烧室可实现与涡轮机械的隔离,当燃烧室长度,体积或内部气流发生物理变化时,涡轮的其余部分不会受到影响。凭借该项技术,只需对Aurelia常规燃气轮机工艺进行较少的改造就可以用氢燃料来发电。

欧洲强化氢价值链装备制造优势

值得一提的是,Aurelia这项技术获得了欧盟“Horizon2020”项目的资助。

欧盟2014年推出“Horizon2020”项目,主要目的是整合欧盟各国的科研资源,提高科研效率,促进科技创新。2014-2020年间预算合计达703亿欧元,其中用于中小企业的总经费就占到总预算的20%。据了解,“Horizon2020”项目已与欧洲当前氢能产业发展相衔接。

就在今年4月,欧洲氢能组织(HydrogenEurope)发布的《为实现欧洲绿色协议的2×40GW绿氢行动计划》中明确提到,欧洲的氢工业致力于保持一个强大的和世界领先的电解槽工业和市场。

而在7月欧盟通过《欧盟氢能战略》时,欧洲绿色协议执行副总裁FransTimmermans也曾强调,在发展和部署清洁氢价值链方面,欧洲将成为全球的领先者,并保持其在清洁技术方面的领导地位。

作为全球工业领域的高地,预计欧洲将利用下游广阔的市场持续加强氢价值链装备制造优势。

氢能技术成全球燃气轮机厂关注点

据统计,全球主要燃气轮机制造商都不同程度推出了燃氢发展规划,氢能被认为可使全球燃气发电机组在低碳能源市场获得更大的竞争力,并有望在满足各国法规和排放限制下延长现有机组的寿命。

通过燃烧室设计迭代,燃气轮机可以燃烧更高比例的氢气,多个燃气轮机厂商已在推出成熟的产品。

通用电气在2019年2月就与澳大利亚氢气基础设施开发商H2U签署协议,计划在南澳大利亚林肯港部署10MW可燃烧100%氢气的燃气轮机机组。

今年3月,三菱日立电力系统公司(MHPS)表示已从美国山间电力公司获得了首个燃氢燃料的先进燃气轮机订单,该机组未来可使用100%可再生氢燃料。

资料显示,MHPS公司1970年以来一直在开发能够燃烧掺氢30%~90%混合燃料的燃气轮机装置,目前正在荷兰对Vattenfall公司一台440兆瓦M701F燃气轮机进行改造,计划2023年使该机组可以燃烧100%可再生氢燃料。

西门子的野心显然更大。在日前发布的西门子氢能白皮书《迈向无碳未来》中,燃氢轮机技术被纳入到西门子整个清洁氢价值链解决方案中。书中强调,“西门子能源致力于成为氢能领域的全方位解决方案提供者。”

早在2019年1月,西门子天然气和发电公司就公布了燃氢路线图,计划在2020年将燃气轮机的燃氢能力提高到至少20%,到2030年则提高到100%。

据报道,西门子多个燃气轮机型号已经实现了燃烧高比例氢含量燃料的能力。截至6月底,西门子SGT-600和SGT-800的干式低排放燃烧技术(DLE)燃烧室全温全压试验在柏林取得显著进展,其中SGT-600的DLE燃烧室已经实现满负荷燃烧100%氢燃料。

燃氢轮机是清洁氢链中的关键一环

作为全球清洁氢发展最快的地区之一,欧洲已制定出庞大的可再生能源制氢计划,并将其视为经济复苏和实现2050年碳中和的关键。通过分析可以发现,两个要素在支撑这一计划时不可或缺:一是要通过拓宽氢能的应用领域,催生大规模的氢能消费需求;二则要充分发挥氢在增强电网灵活性方面的优势,更好的实现氢、电、热等多种能源形式的耦合,促进可再生能源在终端能源消费中占据主导地位。

2019年,欧洲燃料电池和氢能联合组织(FCHJU)发布《欧洲氢能路线图》,预计到2030年,乐观情况下欧洲用于提供电网灵活性的氢气发电需求将达65TWh,占新增用氢总需求的27.3%。

实际上,当前氢在电力领域的应用比例很低,占发电总量的比例尚不足0.2%。低碳氢在发电领域的应用形式除了燃氢轮机发电外,还有燃料电池发电、氨与煤炭混烧发电等多种形式,目前已有多个成功的示范。

与其他技术形式相比,燃氢轮机可以兼顾发电规模的多样和发电过程的清洁低碳。国际能源署(IEA)数据显示,若2030年全球1%的燃气轮机使用氢为燃料,就将产生25GW的发电功率和90TWh的电力,同时,可消耗多达450万吨氢。

燃氢发电及供热可实现氢与电、热间各种规模下能源转换,衔接P2G体系构成完善的能源互联网络,并在可再生能源大规模接入电网时,提供重要的灵活性电源。IEA在《氢能未来-抓住今日氢能机遇》报告中就强调,燃氢轮机可成为电力系统的一个灵活性来源,促进可再生能源的比例不断增加。

在发展态势上,燃氢轮机发电应用在全球的部署仍有待进一步加强。现阶段各国氢能发展规划中对氢燃料电池发电应用已有部署,日本的目标是到2030年达到1GW的氢发电能力,而韩国则计划2022年在电力行业部署1.5GW燃料电池,2040年达到15GW。但对于燃氢轮机发电尚缺乏更多明确的目标。

影响燃氢轮机推广的最重要因素是能源利用效率和成本。可再生能源署(IRNEA)《氢能平价之路》中的数据显示,当前燃氢轮机发电总成本中,氢气的价格占比超过90%,氢的价格将是未来影响燃氢轮机经济性的重要因素,IRNEA预计到2030年燃氢发电成本降幅可达35%。另一方面,为电网提供灵活性的小规模燃氢轮机可通过提供能源在时空上的转移服务获取更高的溢价,预计更早具备经济性。

我国天然气资源并不丰富,而传统火电作为灵活性电源受到各种因素制约,可再生能源规模化发展已对电网灵活性提出更高要求,在这一领域,利用氢发电前景广阔,而燃氢轮机可能成为其中一个重要选择。(作者:陈大英)

2020年9月7日 11:44
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