Siemens Energy обеспечивает водородом будущие заводы

Потребность в значительных изменениях в энергетическом секторе стремительно растет. В 2022 году глобальные выбросы CO2 от производства электричества и тепла увеличились на 1,8%, достигнув исторического максимума в 14,6 Гт. Декарбонизация этих секторов при одновременном удовлетворении растущего мирового спроса на надежную и доступную энергию будет сложной задачей.

Ускорение расширения использования возобновляемых источников энергии имеет решающее значение для успешного энергетического перехода, однако мы должны признать, что углеводороды, особенно природный газ, будут составлять значительную часть энергетического баланса в течение следующих двух десятилетий.

При продуманном и последовательном использовании природный газ может обеспечить энергетическую безопасность, энергетическую устойчивость, декарбонизацию энергетического сектора и проложить путь к альтернативным источникам энергии с низким содержанием углерода, оставаясь при этом доступным по цене.

Во многих регионах мира, в том числе на Ближнем Востоке и в Северной Африке (MENA), электростанции на базе газовых турбин являются доминирующим средством производства электроэнергии, и они останутся таковыми в обозримом будущем. Сохраняя инвестиции и срок службы этих капиталоемких активов, мы можем также стимулировать увеличение инвестиций в проекты по возобновляемым источникам энергии с низким содержанием углерода.

Для этих объектов сжигание низкоуглеродного водорода, либо путем совместного сжигания, либо полного замещения природного газа, представляет собой привлекательный путь декарбонизации. Даже при небольших объемах водорода, смешиваемого с топливом, возможно значительное сокращение выбросов.

Несмотря на то, что использование водорода для генерации в коммунальном хозяйстве пока нецелесообразно из-за ограничений, связанных с доступностью и стоимостью производства, импульс для развития глобальной водородной экономики быстро нарастает.

Замена природного газа водородом

Практически каждая развитая страна установила долгосрочные цели по достижению углеродной нейтральности. Многие из них уже добились значительного прогресса, перейдя с угля на природный газ в качестве основного сырья для производства электроэнергии.

По сравнению с углем использование газовых турбин открытого цикла снижает удельные выбросы углерода до 50 %. Еще большее сокращение выбросов углерода достигается при использовании электростанций комбинированного цикла, которые позволяют снизить выбросы еще на 23 %. На когенерационных установках, использующих современные газовые турбины, тепловой коэффициент полезного действия может превышать 90 %.

Вытеснение природного газа низкоуглеродным водородом — логичный следующий шаг на пути к декарбонизации энергетики. Смешивание природного газа и водорода может существенно снизить выбросы углерода и обеспечить устойчивое снижение выбросов, поскольку доля водорода в топливе постоянно увеличивается с течением времени.

Для смесей водорода с природным газом зависимость между снижением выбросов CO2 и объемным содержанием водорода нелинейна, что означает, что для снижения выбросов CO2 на одну и ту же величину требуется большее объемное процентное количество совместного сжигания водорода.

Для достижения 50-процентного сокращения выбросов CO2 при сжигании топлива в газовой турбине требуется совместное сжигание водорода в объеме ~77 об. Хотя работа на таком уровне водорода возможна с технической точки зрения, она пока не является экономически выгодной, поскольку мировые поставки чистого водорода ограничены, а его стоимость в настоящее время намного выше, чем стоимость природного газа.

Однако в решении этих проблем наметился прогресс: начинают расширяться мощности по производству водорода на низком уровне, а крупные производители, такие как ОАЭ и Саудовская Аравия, разрабатывают амбициозные водородные стратегии. В сочетании с растущей государственной поддержкой, налогообложением углерода и новым законодательством, использование водородного топлива, как ожидается, станет гораздо более жизнеспособным в течение следующего десятилетия.

В то же время совместное сжигание топлива в небольших количествах уже начинает снижать выбросы при приемлемом экономическом эффекте. Например, добавление всего 10 об% водорода в топливный поток может сократить выбросы CO2 на 2,7%.

Хотя это может показаться незначительным, это равносильно ежегодному сокращению примерно на 30 000 метрических тонн CO2 для электростанции комбинированного цикла мощностью 850 МВт, которая работает 6 000 часов в год при среднем КПД 60 %.

Замена природного газа водородом с течением времени означает, что инвестиции в газовые электростанции сегодня будут иметь долгосрочную перспективу, обеспечивая соответствие будущим нормам выбросов.

В долгосрочной перспективе газовые турбины, работающие на водороде, в конфигурации комбинированного цикла будут поддерживать полностью декарбонизированную энергосистему, где возобновляемые источники энергии составляют основу всей потребляемой энергии, а электростанция обеспечивает остаточную нагрузку в периоды низкой выработки возобновляемых источников энергии, а также позволяет осуществлять крупномасштабное сезонное хранение возобновляемой электроэнергии.

Трудности работы на водороде

Хотя водород обладает значительным потенциалом декарбонизации, совместное сжигание топлива создает технические проблемы для работы газовых турбин.

При адиабатических и стехиометрических условиях скорость ламинарного пламени водорода значительно выше, чем у природного газа, а также несколько выше температура пламени. Эти характеристики требуют определенных конструктивных и инженерных мер для поддержания целостности системы сгорания газовой турбины и достижения приемлемого уровня выбросов.

В последние годы производители газовых турбин добились прогресса в решении этих проблем. Компания Siemens Energy установила по всему миру уже более 55 газовых турбин, работающих на водороде в качестве топлива. В совокупности эти установки наработали более 2,5 миллионов часов. Сегодня мы располагаем установками различных размеров и типов систем сгорания, способными безопасно сжигать топливные смеси с высоким содержанием водорода.

Некоторые из наших газовых турбин уже могут работать на 100 % водородном топливе. Мы ставим перед собой амбициозную цель — к 2030 году сделать рамы ГТ всех размеров на 100% совместимыми с водородом. Это позволит тысячам газовых турбин, находящихся в эксплуатации, избежать устаревания и перейти на водород, когда это станет практичным, обязательным или экономически выгодным.

Это не означает, что переход на водород прост и понятен; он все еще требует адаптации вспомогательных систем и компонентов электростанции, но прогресс идет вперед.

Недавние пилотные проекты показали, что при наличии подходящих партнеров и условий реализации проекта преодоление этих трудностей возможно. В настоящее время Сименс Энерджи участвует в нескольких крупных демонстрационных проектах по совместному сжиганию топлива по всему миру, включая проект HYFLEXPOWER во Франции.

Цель этого проекта — продемонстрировать, что экологически чистый водород может служить гибким средством накопления энергии и использоваться в качестве топлива в промышленных турбинах.

Водород производится на месте с помощью электролизера и используется в газовой турбине с любым соотношением смеси водорода от 0 до 100% водорода в топливе в сочетании с природным газом. Проект стал первой в мире демонстрацией промышленного масштаба с использованием турбины, способной сжигать топливо со 100% содержанием водорода.

Большая турбина Siemens Energy SGT6-6000G с незначительными изменениями успешно работала на смеси с 38% водорода на электростанции в США в начале этого года. На тот момент это была самая большая газовая турбина в мире, способная достичь такого процентного соотношения.

Еще один пилотный проект осуществляется на австрийской теплоэлектростанции Donaustadt. В июле был проведен пробный запуск с топливной смесью, содержащей 15 % водорода. На следующем этапе испытаний содержание водорода будет удвоено до 30 %.

Расширение транспортной инфраструктуры

Помимо расширения мощностей по производству зеленого и голубого водорода, для реализации всего потенциала водорода как средства декарбонизации необходим еще один компонент: надежная и эффективная транспортная инфраструктура.

Сегодня в мире действует несколько тысяч километров трубопроводов чистого водорода, включая хранилища на подходе. Эти сети, как правило, расположены в отдельных регионах, где существует спрос на водород, часто в промышленных целях (например, для химического производства).

Строительство новых водородных трубопроводов в ближайшие годы сделает водород более доступным и откроет новые рынки и сферы конечного использования. Однако эти проекты могут быть очень дорогостоящими и требуют нескольких лет для получения разрешений и согласования с регулирующими органами.

Несколько стран и отраслевых организаций, особенно в Европейском союзе (ЕС), пытаются решить эту проблему путем реализации инициатив по переводу существующей газовой инфраструктуры на водород.

Транспортировка небольших объемов водорода (<25% водорода по объему) с использованием природного газа возможна во многих современных сетях. Однако при увеличении содержания водорода сверх этого уровня требуется модификация трубопроводов, а также критически важного оборудования, такого как компрессоры.

Для транспортировки и хранения на большие расстояния также рассматриваются различные жидкие носители водорода, такие как аммиак, метанол, жидкие органические носители водорода (ЖОУВ) и сжиженный водород. Каждый носитель обладает уникальными преимуществами и недостатками с точки зрения стабильности, плотности энергии/водорода, безопасности, стоимости, углеродного следа и т. д.

Выбор оптимального носителя зависит от местоположения, а также от ряда других факторов, включая предполагаемое конечное использование, требования к чистоте, размер, расстояние транспортировки и необходимость долгосрочного хранения (среди прочих).

Подготовка к будущему

Для подавляющего большинства электростанций коммунального назначения смешивание водорода с природным газом для достижения существенного сокращения выбросов в настоящее время не является жизнеспособным экономическим вариантом. Однако по мере роста поставок низкоуглеродного водорода и развития транспортной инфраструктуры совместное сжигание станет более привлекательным, а в случае введения новых норм выбросов CO2 — даже обязательным.

Операторы электростанций должны уже сегодня начать предпринимать шаги по подготовке своей инфраструктуры и избегать риска устаревания, выбирая газовые турбины, готовые к использованию водорода. Первые промышленные газовые турбины, способные сжигать 100 % водорода, доступны уже сегодня, а к 2030 году Siemens Energy поставила перед собой цель предлагать 100 % водородные газовые турбины во всех типоразмерных семействах.

Мы также являемся первой компанией в мире, получившей сертификат третьей стороны на концепцию электростанции H2-Ready. Этот сертификат представляет собой дорожную карту, описывающую, как новые электростанции, которые первоначально должны работать на природном газе, могут быть со временем переоборудованы для совместного использования водорода или даже полностью работать на водороде, с целью ограничения будущих затрат на переоборудование и защиты электростанций от будущего.

По мере перехода к новой энергетике мы продолжаем работать над инновациями, разработкой, испытанием и внедрением технологий, которые делают энергетические системы надежными, доступными и устойчивыми, другими словами, жизнеспособными.

Большими и малыми шагами, шаг за шагом, в сотрудничестве с нашими партнерами и клиентами мы добьемся этого.