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氢气——燃气发动机未来的燃料

2022-01-13 09:23:53 来源:中国能源网   作者: 孙延嘉 颜巴赫(中国) 王松

欧洲的目标是到2050年实现碳中和能源系统。未来,除沼气外,合成甲烷、甲醇和氢气等合成燃料可以驱动燃气发动机,从而加速从化石能源向可再生能源的转变。目前,欧洲近 55%的已投运INNIO 颜巴赫燃气发动机机群正在使用沼气或生物甲烷。

脱碳的挑战

如今,世界及其气候的变化比以往任何时候都快。全球二氧化碳浓度平均值已超过 400 ppm。不同的方案详细描述了如何减缓全球变暖,但它们的共同点是要求大幅削减或完全淘汰化石燃料。 欧盟议会制定了“欧洲绿色协议”,将当前的挑战转化为欧洲的机遇。

摆脱化石燃料将是未来几年和几十年的挑战。作为 CO 2 排放的主要贡献者之一,交通正朝着电动汽车的方向发展。 由于电池充电时需要即时电力,所以电能需要始终可用。这意味着风能和太阳能等知名可再生能源系统将强劲增长。 由于风能和太阳能并非一直可用,因此维持脱碳的关键是储存电能。解决存储挑战是能源从化石能源向可再生能源转型的重要组成部分。这使得解决存储问题成为能源革命的重要组成部分。 为了明智地实现脱碳,需要大规模的存储设施。 氢气 (H2) 和合成燃料是一种潜在的解决方案,因为它们可以储存更长时间。【1】

关键挑战——储能

由于风能和太阳能等可再生能源的波动性,储能是一个关键挑战。 一方面,需要一个短期的解决方案来平衡一天内的波动。另一方面,季节性波动需要在半年期间存储数TWh的能量,如图 1 所示。它表明,使用电池进行储能是一个可行的选择,时间仅为几个小时。 无碳燃料的季节性储存必须遵循氢气路线。 氢气可以直接储存或储存在氢气载体中(比如合成燃料)。


图 1 不同储能技术的容量与持续时间(© INNIO颜巴赫)

以化学形式储存能量的所有储存选项都以通过水电解产生的氢气作为开始。氢气可以直接储存在地下洞穴中,也可以输送到天然气管道中,形成天然气和氢气的混合物。如果将氢气送入管道,则可能具有不同的混合速率,这种情况目前是允许的。作为替代解决方案,纯氢气可以在管道中储存或运输,从而可以轻松利用纯氢。下游工艺将能够保持此类电解制氢 (PtG)中氢气非常好的清洁度。例如,将氢气加工成甲烷(也称为合成天然气,SNG)或其他合成燃料(e-fuels)具备诸多优势。这些燃料可以在现有基础设施中使用,无需进行大量的升级改造。因此,至少从最终用户的角度来看,基础设施改用无化石能源是很容易的。但这个过程有一个缺点,即需要二氧化碳。但这一将氢气转换成甲烷的工艺过程,其缺点是需要二氧化碳。尽管大气中的二氧化碳浓度已创历史新高,但对于分离工艺来说这个浓度还是太低。另一种选择是将二氧化碳从发电厂的废气中分离,并将其用于生产合成燃料,如图 2所示。


图 2 颜巴赫燃气发动机未来的角色 (© INNIO颜巴赫)

如果有可能生产出具有成本效益的合成燃料,那么放弃化石燃料将相对容易,因为最终用户不需要对其资产进行任何更改——或者只需要很小的升级改造。现在,此类示范项目已经出现,该技术可靠且有效——但与使用化石燃料相比,它的成本太高。

燃气发动机的燃料

“绿色”合成甲烷将是天然气的极好补充和替代。合成甲烷是通过氢气的甲烷化生产的。这种合成甲烷具有与天然气相同的物理特性,因此可以注入天然气系统,即利用现有天然气基础设施。而现有以天然气为燃料的设备,包括燃气发动机,都可以继续以目前的性能和排放标准可靠地运行。

氢能在替代化石天然气方面发挥重要作用。它无碳,且可用作燃气发动机的燃料。 在未来几十年中,风电场和光伏装置的进一步发展可以通过电解制氢(PtG,Power to Gas)提供“绿色”氢气。 虽然氢气不同于天然气,但也可以通过管道和储罐运输,并且在某种程度上,可以使用现有的天然气基础设施。因此,氢气可用于工业、供热、运输和发电等不同领域。

氢气可以注入天然气管道。在这种情况下,必须了解天然气中氢气的比例。 我们的建议是安装一个氢传感器来确定天然气中的氢气含量并相应地调整发动机。

氢气作为燃气发动机的燃料

燃气发动机非常适合使用不同种类的燃气,因此使用氢气和氢气-天然气混合燃气发电是可行的选择。当然,根据气体混合物的成分,我们需要对发动机进行不同的调整。

INNIO颜巴赫多年来一直在使用高氢含量的燃气发动机。例如,有许多个使用钢铁生产工艺的过程尾气或者氢气含量高达 60 vol% 的合成气(synthetic gases)的项目案例正在运行。最近的项目则是以氢气与天然气的混合燃气为燃料,氢气体积高达70 vol %。 在2020年夏季,第一座使用 0 到 100 vol% 的氢气混合燃气的热电联产电厂开始运行,如图3所示。


图 3 颜巴赫不同组分(H2含量)的燃气发电项目 (© INNIO Jenbacher)

尽管效率和其他性能参数可能会受到影响,但新发动机的设计无不旨在可以使用多种不同类型的燃气。而真正的挑战是现有的燃气发动机机群。燃气发动机设计寿命可长达数十年,边界条件所带来的收益变化可能无法弥补更换全新机组所需成本。因此,燃气发动机厂商必须开发升级套件以支持现有的发电厂继续运行。

氢气燃烧策略

INNIO 颜巴赫在利用非天然气方面拥有丰富的经验。其中一些燃气,包括垃圾填埋气和煤矿瓦斯,都是以甲烷为基础,其燃烧行为类似于天然气。另一大类燃气,例如气化或炼钢过程产生的燃气,是以氢气和一氧化碳为基础的。在这些燃气发电应用中,氢气含量可高达70 vol%。 这类燃气的组分在正常运行中保持稳定,因此发动机可以设计为使用这些燃气。 如果预计燃气组分会发生很大变化,例如由多种类型气体复杂地混合组成,则在发动机设计上需要付出更大的努力,并且必须接受发动机在性能上的妥协。

使用非天然气的 INNIO 颜巴赫燃气发动机版本与使用标准天然气发动机的设计不尽相同。例如,INNIO颜巴赫6系列发动机的活塞设计。标准天然气机组的活塞设计是平顶或非常浅的碗顶设计。燃气预燃室在这里产生涡流以实现快速燃烧。 但具有高氢气含量的燃气无法通过预燃室燃烧系统实现安全地燃烧,这种情况下则应采用直接点火系统,由进气涡流和能够打破涡流的特殊形状设计的活塞共同作用,在气缸内形成预设等级的涡流。如图 4所示。


图 4 碗状燃气活塞示例 (© INNIO Jenbacher)

稳定氢气燃烧的主要驱动因素是燃烧策略,从混合气制备、进气运动、进气点火到主要燃烧过程本身,以及进气策略。然而,特别是对于具有高氢气和/或一氧化碳含量的气体,可以观察到异常燃烧现象,如图5所示。循环开始燃烧加速,随后转为自燃,但不发生爆震。 因为没有爆震,标准发动机控制系统无法监测这些现象,可能造成发动机严重损坏。通过缸内压力控制系统,可以发现并监控这些燃烧现象,从而能够安全、稳定地运行发动机。


图 5 燃烧现象:天然气含爆震循环(左)和氢气自燃循环(右)示意图(© INNIO Jenbacher)

我们的实践之旅

实践1

2008年,Hychico建造了一个风电场和一个利用水电解技术的绿色制氢厂。位于阿根廷巴塔哥尼亚的试点项目通过6.3MW风电场进行发电,平均容量系数约为50%。一部分来自风能的可再生能源被用于一个电解厂的运转,每小时可生产120Nm3的高纯度氢气和60Nm3的氧气。Hychico工厂生产的高纯度氢气 (99.998%)将被储存到地下储罐中。为了更好地评估大规模地下储氢的潜在效益,Hychico 与欧洲 HyUnder组织合作,共同努力为氢气储存提供技术、经济和社会等方面的评估。在研究地下储氢的同时,氢气与天然气混合燃气也已经用于颜巴赫的燃气发动机。

颜巴赫J420燃气发动机可以使用当地生产的天然气与氢气的混合燃气运行(氢气体积比例最高可达42%),性能优异,排放更低。只有在混合燃气中的氢气比例极高时,发动机的输出才需要调整,以保持稳定运行。能够使用以任意比例的天然气/氢气混合燃气,这一燃料灵活性使颜巴赫J420燃气发动机成为将储存氢气转化为电力的理想技术。自2008年在Hychico工厂投入运行至今,这台久经考验、经济高效的燃气发动机的运行时间已超过70,000小时。

实践2

2020年,在INNIO 和 HanseWerke Natur 合作,打造了一个氢气利用旗舰示范项目,1 MW 的 J416 燃气发动机能够使用可变比例的氢气/天然气混合气体,或者使用 100% 氢气。该项目位于德国汉堡Othmarschen地区,升级后的热电联产(CHP)能源站已开始进行现场测试,这个INNIO颜巴赫1兆瓦的试点能源站是世界上第一个兆瓦级的大型燃气发电系统。完成升级后的热电联产能源站将为30栋住宅楼、一个体育中心、一个托儿所和Othmarschen公园休闲综合体供能,每年可以为当地提供相当于13,000MWh的热能。产生的电能则被输送到Othmarschen多层停车场的电动汽车充电桩及当地电网。

实践3

作为屡获殊荣的欧盟HyMethShip项目的一部分,2020年,INNIO颜巴赫与位于奥地利格拉茨的大型发动机技术中心 (LEC),展开氢能利用的合作研究,进一步探索可持续、高度灵活且二氧化碳零排放的发电应用。项目采用了第一台使用100% 氢气的2MW发动机,除了氢气,项目也在验证以100% 使用来自可再生能源的氢载体气体甲醇为燃料。

在验证直接发动机技术的同时,INNIO 和 LEC 还合作研究新的传感器技术以及数据处理,这两者都是可持续性方面不可或缺的组成部分。 如今,全球安装的颜巴赫燃气发动机中有 60% 通过 INNIO 的 myPlant 软件进行在线监控。 INNIO也因此成为数字化热电联供的先驱。凭借其数字化战略和新的COMET模块“LEC HybTec”,LEC 在融合物理和数据驱动的仿真模型方面树立了新标准。 这促使了全新的人工智能方法和学习方法的发展,这些方法提高了可持续大型燃气发动机的研究和开发的标准。

结论

脱碳能源供应的一个关键要素是有效储存可再生能源。 有效的短期和长期存储解决方案至关重要。根据目前的发展状况,最具前景的解决方案之一是氢基储存,可以直接使用氢气(在洞穴或管道压力下)或使用合成生产的碳氢化合物,如甲烷或甲醇。 在可再生能源(风能和光伏)供应不足时,这些氢基燃料可以转换回热能和电力。为了能够安全利用各种氢气浓度,尤其是在使用现有天然气基础设施时,INNIO 将继续加大研发领域的投入。 这些措施旨在通过种类广泛的各种燃气(如高达 100% 的氢气)实现热电联产,以帮助建立 100%的碳中性和无碳发电厂。

参考文献

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

原文作者

Stephan Laiminger, 首席技术专家, Jenbacher GmbH & Co OG.

Michael Url, 高级工程师, Jenbacher GmbH & Co OG.

Klaus Payrhuber, 产品经理, Jenbacher GmbH & Co OG.

Martin Schneider 高级产品经理, Jenbacher GmbH & Co OG.

中文译者

孙延嘉 颜巴赫(中国)

王松 颜巴赫(中国)

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