歐洲的目標是到2050年實現(xiàn)碳中和能源系統(tǒng)。未來，除沼氣外，合成甲烷、甲醇和氫氣等合成燃料可以驅(qū)動燃氣發(fā)動機，從而加速從化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)變。目前，歐洲近 55%的已投運INNIO 顏巴赫燃氣發(fā)動機機群正在使用沼氣或生物甲烷。

脫碳的挑戰(zhàn)

如今，世界及其氣候的變化比以往任何時候都快。全球二氧化碳濃度平均值已超過 400 ppm。不同的方案詳細描述了如何減緩全球變暖，但它們的共同點是要求大幅削減或完全淘汰化石燃料。 歐盟議會制定了“歐洲綠色協(xié)議”，將當前的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為歐洲的機遇。

擺脫化石燃料將是未來幾年和幾十年的挑戰(zhàn)。作為 CO 2 排放的主要貢獻者之一，交通正朝著電動汽車的方向發(fā)展。 由于電池充電時需要即時電力，所以電能需要始終可用。這意味著風(fēng)能和太陽能等知名可再生能源系統(tǒng)將強勁增長。 由于風(fēng)能和太陽能并非一直可用，因此維持脫碳的關(guān)鍵是儲存電能。解決存儲挑戰(zhàn)是能源從化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分。這使得解決存儲問題成為能源革命的重要組成部分。 為了明智地實現(xiàn)脫碳，需要大規(guī)模的存儲設(shè)施。 氫氣 (H2) 和合成燃料是一種潛在的解決方案，因為它們可以儲存更長時間?！?】

關(guān)鍵挑戰(zhàn)——儲能

由于風(fēng)能和太陽能等可再生能源的波動性，儲能是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。 一方面，需要一個短期的解決方案來平衡一天內(nèi)的波動。另一方面，季節(jié)性波動需要在半年期間存儲數(shù)TWh的能量，如圖 1 所示。它表明，使用電池進行儲能是一個可行的選擇，時間僅為幾個小時。 無碳燃料的季節(jié)性儲存必須遵循氫氣路線。 氫氣可以直接儲存或儲存在氫氣載體中(比如合成燃料)。

圖 1 不同儲能技術(shù)的容量與持續(xù)時間(© INNIO顏巴赫)

以化學(xué)形式儲存能量的所有儲存選項都以通過水電解產(chǎn)生的氫氣作為開始。氫氣可以直接儲存在地下洞穴中，也可以輸送到天然氣管道中，形成天然氣和氫氣的混合物。如果將氫氣送入管道，則可能具有不同的混合速率，這種情況目前是允許的。作為替代解決方案，純氫氣可以在管道中儲存或運輸，從而可以輕松利用純氫。下游工藝將能夠保持此類電解制氫 (PtG)中氫氣非常好的清潔度。例如，將氫氣加工成甲烷(也稱為合成天然氣，SNG)或其他合成燃料(e-fuels)具備諸多優(yōu)勢。這些燃料可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中使用，無需進行大量的升級改造。因此，至少從最終用戶的角度來看，基礎(chǔ)設(shè)施改用無化石能源是很容易的。但這個過程有一個缺點，即需要二氧化碳。但這一將氫氣轉(zhuǎn)換成甲烷的工藝過程，其缺點是需要二氧化碳。盡管大氣中的二氧化碳濃度已創(chuàng)歷史新高，但對于分離工藝來說這個濃度還是太低。另一種選擇是將二氧化碳從發(fā)電廠的廢氣中分離，并將其用于生產(chǎn)合成燃料，如圖 2所示。

圖 2 顏巴赫燃氣發(fā)動機未來的角色 (© INNIO顏巴赫)

如果有可能生產(chǎn)出具有成本效益的合成燃料，那么放棄化石燃料將相對容易，因為最終用戶不需要對其資產(chǎn)進行任何更改——或者只需要很小的升級改造?，F(xiàn)在，此類示范項目已經(jīng)出現(xiàn)，該技術(shù)可靠且有效——但與使用化石燃料相比，它的成本太高。

燃氣發(fā)動機的燃料

“綠色”合成甲烷將是天然氣的極好補充和替代。合成甲烷是通過氫氣的甲烷化生產(chǎn)的。這種合成甲烷具有與天然氣相同的物理特性，因此可以注入天然氣系統(tǒng)，即利用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施。而現(xiàn)有以天然氣為燃料的設(shè)備，包括燃氣發(fā)動機，都可以繼續(xù)以目前的性能和排放標準可靠地運行。

氫能在替代化石天然氣方面發(fā)揮重要作用。它無碳，且可用作燃氣發(fā)動機的燃料。 在未來幾十年中，風(fēng)電場和光伏裝置的進一步發(fā)展可以通過電解制氫(PtG，Power to Gas)提供“綠色”氫氣。 雖然氫氣不同于天然氣，但也可以通過管道和儲罐運輸，并且在某種程度上，可以使用現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施。因此，氫氣可用于工業(yè)、供熱、運輸和發(fā)電等不同領(lǐng)域。

氫氣可以注入天然氣管道。在這種情況下，必須了解天然氣中氫氣的比例。 我們的建議是安裝一個氫傳感器來確定天然氣中的氫氣含量并相應(yīng)地調(diào)整發(fā)動機。

氫氣作為燃氣發(fā)動機的燃料

燃氣發(fā)動機非常適合使用不同種類的燃氣，因此使用氫氣和氫氣-天然氣混合燃氣發(fā)電是可行的選擇。當然，根據(jù)氣體混合物的成分，我們需要對發(fā)動機進行不同的調(diào)整。

INNIO顏巴赫多年來一直在使用高氫含量的燃氣發(fā)動機。例如，有許多個使用鋼鐵生產(chǎn)工藝的過程尾氣或者氫氣含量高達 60 vol% 的合成氣(synthetic gases)的項目案例正在運行。最近的項目則是以氫氣與天然氣的混合燃氣為燃料，氫氣體積高達70 vol %。 在2020年夏季，第一座使用 0 到 100 vol% 的氫氣混合燃氣的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠開始運行，如圖3所示。

圖 3 顏巴赫不同組分(H2含量)的燃氣發(fā)電項目 (© INNIO Jenbacher)

盡管效率和其他性能參數(shù)可能會受到影響，但新發(fā)動機的設(shè)計無不旨在可以使用多種不同類型的燃氣。而真正的挑戰(zhàn)是現(xiàn)有的燃氣發(fā)動機機群。燃氣發(fā)動機設(shè)計壽命可長達數(shù)十年，邊界條件所帶來的收益變化可能無法彌補更換全新機組所需成本。因此，燃氣發(fā)動機廠商必須開發(fā)升級套件以支持現(xiàn)有的發(fā)電廠繼續(xù)運行。

氫氣燃燒策略

INNIO 顏巴赫在利用非天然氣方面擁有豐富的經(jīng)驗。其中一些燃氣，包括垃圾填埋氣和煤礦瓦斯，都是以甲烷為基礎(chǔ)，其燃燒行為類似于天然氣。另一大類燃氣，例如氣化或煉鋼過程產(chǎn)生的燃氣，是以氫氣和一氧化碳為基礎(chǔ)的。在這些燃氣發(fā)電應(yīng)用中，氫氣含量可高達70 vol%。 這類燃氣的組分在正常運行中保持穩(wěn)定，因此發(fā)動機可以設(shè)計為使用這些燃氣。 如果預(yù)計燃氣組分會發(fā)生很大變化，例如由多種類型氣體復(fù)雜地混合組成，則在發(fā)動機設(shè)計上需要付出更大的努力，并且必須接受發(fā)動機在性能上的妥協(xié)。

使用非天然氣的 INNIO 顏巴赫燃氣發(fā)動機版本與使用標準天然氣發(fā)動機的設(shè)計不盡相同。例如，INNIO顏巴赫6系列發(fā)動機的活塞設(shè)計。標準天然氣機組的活塞設(shè)計是平頂或非常淺的碗頂設(shè)計。燃氣預(yù)燃室在這里產(chǎn)生渦流以實現(xiàn)快速燃燒。 但具有高氫氣含量的燃氣無法通過預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)實現(xiàn)安全地燃燒，這種情況下則應(yīng)采用直接點火系統(tǒng)，由進氣渦流和能夠打破渦流的特殊形狀設(shè)計的活塞共同作用，在氣缸內(nèi)形成預(yù)設(shè)等級的渦流。如圖 4所示。

圖 4 碗狀燃氣活塞示例 (© INNIO Jenbacher)

穩(wěn)定氫氣燃燒的主要驅(qū)動因素是燃燒策略，從混合氣制備、進氣運動、進氣點火到主要燃燒過程本身，以及進氣策略。然而，特別是對于具有高氫氣和/或一氧化碳含量的氣體，可以觀察到異常燃燒現(xiàn)象，如圖5所示。循環(huán)開始燃燒加速，隨后轉(zhuǎn)為自燃，但不發(fā)生爆震。 因為沒有爆震，標準發(fā)動機控制系統(tǒng)無法監(jiān)測這些現(xiàn)象，可能造成發(fā)動機嚴重損壞。通過缸內(nèi)壓力控制系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)并監(jiān)控這些燃燒現(xiàn)象，從而能夠安全、穩(wěn)定地運行發(fā)動機。

圖 5 燃燒現(xiàn)象：天然氣含爆震循環(huán)(左)和氫氣自燃循環(huán)(右)示意圖(© INNIO Jenbacher)

我們的實踐之旅

實踐1

2008年，Hychico建造了一個風(fēng)電場和一個利用水電解技術(shù)的綠色制氫廠。位于阿根廷巴塔哥尼亞的試點項目通過6.3MW風(fēng)電場進行發(fā)電，平均容量系數(shù)約為50%。一部分來自風(fēng)能的可再生能源被用于一個電解廠的運轉(zhuǎn)，每小時可生產(chǎn)120Nm3的高純度氫氣和60Nm3的氧氣。Hychico工廠生產(chǎn)的高純度氫氣 (99.998%)將被儲存到地下儲罐中。為了更好地評估大規(guī)模地下儲氫的潛在效益，Hychico 與歐洲 HyUnder組織合作，共同努力為氫氣儲存提供技術(shù)、經(jīng)濟和社會等方面的評估。在研究地下儲氫的同時，氫氣與天然氣混合燃氣也已經(jīng)用于顏巴赫的燃氣發(fā)動機。

顏巴赫J420燃氣發(fā)動機可以使用當?shù)厣a(chǎn)的天然氣與氫氣的混合燃氣運行(氫氣體積比例最高可達42%)，性能優(yōu)異，排放更低。只有在混合燃氣中的氫氣比例極高時，發(fā)動機的輸出才需要調(diào)整，以保持穩(wěn)定運行。能夠使用以任意比例的天然氣/氫氣混合燃氣，這一燃料靈活性使顏巴赫J420燃氣發(fā)動機成為將儲存氫氣轉(zhuǎn)化為電力的理想技術(shù)。自2008年在Hychico工廠投入運行至今，這臺久經(jīng)考驗、經(jīng)濟高效的燃氣發(fā)動機的運行時間已超過70,000小時。

實踐2

2020年，在INNIO 和 HanseWerke Natur 合作，打造了一個氫氣利用旗艦示范項目，1 MW 的 J416 燃氣發(fā)動機能夠使用可變比例的氫氣/天然氣混合氣體，或者使用 100% 氫氣。該項目位于德國漢堡Othmarschen地區(qū)，升級后的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)能源站已開始進行現(xiàn)場測試，這個INNIO顏巴赫1兆瓦的試點能源站是世界上第一個兆瓦級的大型燃氣發(fā)電系統(tǒng)。完成升級后的熱電聯(lián)產(chǎn)能源站將為30棟住宅樓、一個體育中心、一個托兒所和Othmarschen公園休閑綜合體供能，每年可以為當?shù)靥峁┫喈斢?3,000MWh的熱能。產(chǎn)生的電能則被輸送到Othmarschen多層停車場的電動汽車充電樁及當?shù)仉娋W(wǎng)。

實踐3

作為屢獲殊榮的歐盟HyMethShip項目的一部分，2020年，INNIO顏巴赫與位于奧地利格拉茨的大型發(fā)動機技術(shù)中心 (LEC)，展開氫能利用的合作研究，進一步探索可持續(xù)、高度靈活且二氧化碳零排放的發(fā)電應(yīng)用。項目采用了第一臺使用100% 氫氣的2MW發(fā)動機，除了氫氣，項目也在驗證以100% 使用來自可再生能源的氫載體氣體甲醇為燃料。

在驗證直接發(fā)動機技術(shù)的同時，INNIO 和 LEC 還合作研究新的傳感器技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理，這兩者都是可持續(xù)性方面不可或缺的組成部分。 如今，全球安裝的顏巴赫燃氣發(fā)動機中有 60% 通過 INNIO 的 myPlant 軟件進行在線監(jiān)控。 INNIO也因此成為數(shù)字化熱電聯(lián)供的先驅(qū)。憑借其數(shù)字化戰(zhàn)略和新的COMET模塊“LEC HybTec”，LEC 在融合物理和數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真模型方面樹立了新標準。 這促使了全新的人工智能方法和學(xué)習(xí)方法的發(fā)展，這些方法提高了可持續(xù)大型燃氣發(fā)動機的研究和開發(fā)的標準。

結(jié)論

脫碳能源供應(yīng)的一個關(guān)鍵要素是有效儲存可再生能源。 有效的短期和長期存儲解決方案至關(guān)重要。根據(jù)目前的發(fā)展狀況，最具前景的解決方案之一是氫基儲存，可以直接使用氫氣(在洞穴或管道壓力下)或使用合成生產(chǎn)的碳氫化合物，如甲烷或甲醇。 在可再生能源(風(fēng)能和光伏)供應(yīng)不足時，這些氫基燃料可以轉(zhuǎn)換回?zé)崮芎碗娏?。為了能夠安全利用各種氫氣濃度，尤其是在使用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施時，INNIO 將繼續(xù)加大研發(fā)領(lǐng)域的投入。 這些措施旨在通過種類廣泛的各種燃氣(如高達 100% 的氫氣)實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，以幫助建立 100%的碳中性和無碳發(fā)電廠。

參考文獻

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

原文作者

Stephan Laiminger, 首席技術(shù)專家, Jenbacher GmbH & Co OG.

Michael Url, 高級工程師, Jenbacher GmbH & Co OG.

Klaus Payrhuber, 產(chǎn)品經(jīng)理, Jenbacher GmbH & Co OG.

Martin Schneider 高級產(chǎn)品經(jīng)理, Jenbacher GmbH & Co OG.

中文譯者

孫延嘉 顏巴赫(中國)

王松 顏巴赫(中國)