Декарбонизация энергетики: Роль газа

Согласно последним отраслевым исследованиям, спрос на электроэнергию на Ближнем Востоке и в Северной Африке (MENA) утроится к 2050 году в связи с ростом индустриализации и потребностями растущего населения.

Для удовлетворения этого прогнозируемого спроса регион приступил к реализации стратегии по увеличению производства электроэнергии, в рамках которой в энергобаланс будет включено значительное количество возобновляемых источников.

Такие страны, как ОАЭ, Саудовская Аравия и Египет, находятся на пути к достижению поставленных целей по использованию возобновляемых источников энергии. В то же время газ, как традиционный источник электроэнергии, продолжает играть важную роль в обеспечении гибкости, устойчивости и низкого уровня выбросов.

Поставки возобновляемой энергии, как правило, носят прерывистый характер, поскольку солнечный свет, дождь и скорость ветра меняются в течение дня, а также по сезонам, а решения по хранению энергии в аккумуляторах остаются дорогими, что часто делает их экономически нецелесообразными.

Хранение одного барреля нефтяного эквивалента (БНЭ) энергии с помощью аккумуляторных батарей обходится в ~200 долларов. И наоборот, хранение одного барреля нефти или природного газа в масштабах страны стоит ~$1.

Технологии газовой энергетики не только обеспечивают гибкость, позволяя быстро наращивать или снижать производство электроэнергии для покрытия потенциальных пробелов в энергоснабжении от переменных возобновляемых источников и стабилизации энергосистемы, но и представляют собой наиболее чистый способ производства электроэнергии из традиционного ископаемого топлива, — говорит Джозеф Анис, президент и генеральный директор GE Gas Power на Ближнем Востоке, в Северной Африке и Южной Азии.

Например, во всем мире газ на ~50% менее углеродоемкий (~0,45 млн CO²/TWh), чем уголь (~0,95 млн CO²/TWh).

Gas также предлагает компактные, энергоемкие решения. По мере роста плотности населения в городских центрах в странах Ближнего Востока и Северной Африки и в других частях мира, когда свободное пространство становится все более дорогим, природный газ, который требует в 50-100 раз меньше места на мегаватт мощности, чем возобновляемые источники энергии плюс накопители, представляет собой эффективное решение для земельных участков.

Передовые технологии

Ключевым фактором, способствующим наступлению эры газа, является развитие передовых технологий. Сегодня GE обладает крупнейшей в мире базой установленных газовых турбин, насчитывающей более 7500 единиц с более чем 200 миллионами часов работы, и помогает заказчикам по всему миру раскрыть истинный потенциал газа с помощью ведущих в отрасли решений.

Например, технология газовых турбин HA компании GE уже установила два мировых рекорда эффективности, по одному в 60- и 50-герцовом сегментах мирового рынка электроэнергии. Технология HA, на которую заказано более 100 установок по всему миру, в том числе три турбины Управления электроэнергетики и водоснабжения Шарджи (SEWA) для предстоящего проекта мощностью 1,8 гигаватта, способствует снижению потребления топлива и уменьшению выбросов. Использование трех установок GE 9HA в комбинированном цикле может помочь SEWA сократить выбросы углекислого газа на 4 миллиона тонн в год по сравнению с текущим уровнем, что эквивалентно удалению 1 миллиона автомобилей с дорог ОАЭ.

Способная наращивать или снижать мощность до 88 мегаватт (МВт) в минуту и при этом соответствовать требованиям по выбросам, газотурбинная технология также может помочь странам перейти на большую долю возобновляемых источников энергии в своем энергобалансе, помогая сбалансировать нестабильность энергосистемы.

Более того, существуют решения по модернизации, которые могут одновременно повысить производительность, эффективность, гибкость, срок службы и доступность газовых турбин, снизив при этом потребление топлива и воздействие на окружающую среду.

Описывая потенциальные преимущества, Джозеф Анис поясняет: Модернизация существующих активов может стать важным инструментом в декарбонизации электроэнергетики. Возьмем, к примеру, электростанцию West Damietta в Египте, где решение GE по модернизации Advanced Gas Path (AGP) было установлено на четырех газовых турбинах 9E. Это решение позволило повысить эффективность использования топлива на 2,2 % и увеличить среднюю мощность одной турбины более чем на 4,5 МВт, что привело к общему увеличению мощности на объекте до 18 МВт.

Переход от простого цикла к комбинированному предлагает еще один путь к повышению эффективности и увеличению мощности без дополнительных затрат на топливо. Многие старые электростанции в странах Ближнего Востока и Северной Африки, использующие газовые турбины 1980-х годов, продолжают работать в режиме простого цикла с КПД ниже 30%. Перевод этих станций на комбинированный цикл может повысить их эффективность на 50 %, что приведет к значительной экономии топлива и существенному снижению выбросов.

Электростанции, работающие по комбинированному циклу на природном газе, могут также использоваться в паре с технологией улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS) для получения более чистой и стабильной электроэнергии. МЭА определяет CCUS как набор технологий, включающий улавливание CO² из крупных точечных источников, включая электростанции или промышленные предприятия, использующие в качестве топлива ископаемое топливо или биомассу.

CO² также может быть уловлен непосредственно из атмосферы. Если уловленный CO² не используется на месте, его сжимают и транспортируют по трубопроводам, кораблям, железной дороге или грузовикам для использования в различных сферах, или закачивают в глубокие геологические формации (включая истощенные нефтяные и газовые резервуары или солевые пласты), которые улавливают CO² для постоянного хранения.

Проекты по улавливанию и хранению углерода реализуются во всем мире в различных отраслях промышленности с 1990-х годов. По состоянию на сентябрь 2020 года в эксплуатации находится 21 крупномасштабный проект, еще 40 находятся на различных стадиях разработки. В их число входит проект ADNOC CCUS на предприятии Al Reyadah в Абу-Даби, способный улавливать 800 000 тонн CO² в год.

Технология также может быть модернизирована на некоторых существующих заводах, многие из которых были построены недавно и должны работать еще несколько десятилетий. Это поможет не только сократить выбросы углекислого газа, но и предотвратить возможный досрочный выход из эксплуатации или снижение загрузки мощностей предприятий, которые не соответствуют новым и предстоящим нормам по выбросам углекислого газа.

Гибридные системы

Гибридные системы — еще одно средство поддержки декарбонизации электроэнергетики. Например, компании Southern California Edison (SCE) и GE представили первую в мире гибридную систему батарея-газовая турбина в Норуолке, Калифорния.

Система помогает сбалансировать переменный спрос и предложение энергии, в том числе когда солнце садится и производство солнечной энергии падает, а потребление электроэнергии возрастает, когда люди включают свет и электроприборы. В ее основе лежит передовая система управления, которая плавно сочетает выработку аккумулятора и газовой турбины.

Емкость аккумулятора специально рассчитана таким образом, чтобы обеспечить достаточный запас времени для запуска газовой турбины и достижения заданной мощности. Таким образом, системе не нужно сжигать топливо и расходовать воду в режиме ожидания, чтобы иметь возможность немедленно отправлять энергию при скачках спроса или снижении поставок возобновляемых источников энергии.

Водород

Существует множество подходов к созданию низкоуглеродных или безуглеродных видов топлива, включая использование водорода для производства электроэнергии. На сегодняшний день GE имеет самый большой опыт использования альтернативных видов топлива с низкой теплотворной способностью, включая водород, для производства электроэнергии. GE является мировым лидером в области топливной гибкости газовых турбин: более 75 турбин, работающих на топливе с низкой теплотворной способностью, включая смеси водорода и природного газа, наработали более 6 миллионов часов.

Объем необходимых модификаций для настройки газовой турбины на работу на водороде зависит от первоначальной конфигурации газовой турбины и общего баланса установки, а также от желаемой концентрации водорода в топливе. По мере того, как энергетики будут переходить на водородные смеси топлива, они смогут сочетать их с технологией CCUS, о которой говорилось выше, для дальнейшего снижения выбросов углерода на своих станциях.

Например, если электростанция решила смешивать 50 % водорода по объему с углеводородным топливом, снижение выбросов углерода может достигать 23 % на выхлопе. При внедрении дополнительной системы CCUS сокращение выбросов углерода может быть еще больше — до 90 % и более.

GE уже обеспечивает переход электростанции комбинированного цикла мощностью 485 МВт в штате Огайо, США, на работу на водороде, не содержащем углерода. Компания Long Ridge Energy Terminal, которой принадлежит электростанция, сотрудничает с GE и New Fortress Energy, чтобы обеспечить потребителей безуглеродной энергией путем смешивания водорода в газовом потоке и перевести электростанцию на сжигание 100 % зеленого водорода в течение следующего десятилетия.

С коммерческой эксплуатацией, запланированной на ноябрь 2021 года, Long Ridge станет первой специально построенной электростанцией, работающей на водороде, в США и первой в мире, где водород смешивается в газовой турбине GE H-класса.

На станции используется турбина внутреннего сгорания GE 7HA.02, которая может сжигать 15-20% водорода по объему в газовом потоке на начальном этапе, с возможностью перехода на 100% водород с течением времени.

Использование 100 % водорода в качестве топлива для газовой турбины приведет к значительному сокращению выбросов углекислого газа (CO²) по сравнению с работой на природном газе или других видах углеводородного топлива. Выбросы CO², приписываемые топливу, будут равны нулю. Фактически, газовая турбина, работающая на 100 % водородном топливе, может сократить выбросы CO² на ~99 % по сравнению с выбросами CO² на 100 % метане.

Технологии производства электроэнергии на основе газа играют важнейшую роль в нашем переходе к более чистой энергетике будущего, и GE Gas Power будет продолжать оставаться партнером по развитию стран Ближнего Востока и Северной Африки по мере дальнейшего укрепления национальной энергетической инфраструктуры, — заключает Джозеф Анис.