Быстро ли пойдет генерация газа по тому же пути, что и уголь? Будет ли газовая энергетика, построенная сегодня, заброшена через 30 лет? Как можно серьезно относиться к изменению климата и по-прежнему строить газовую электростанцию?
По мере того, как правительства, коммунальные службы и частные предприятия продолжают ставить перед собой агрессивные цели по достижению нулевого показателя выбросов, именно эти вопросы возникают перед энергетической отраслью и всеми участниками рынка газовой генерации.
По общему признанию, отраслевые взгляды на будущее производства газа сильно различаются, а некоторые предсказывают ее неминуемое падение. Стоимость возобновляемых источников энергии и систем хранения энергии аккумуляторов (BESS) продолжает снижаться, а общественное давление с целью устранения источников углекислого газа растет с каждым днем.
Руководители коммунальных предприятий сталкиваются с непредсказуемостью рынков, поскольку потенциально высоко оценивают углеродные активы на протяжении их 20-30-летнего жизненного цикла.
Хотя эти обстоятельства вносят элемент сомнения в отношении производства газа в будущем, правда заключается в том, что прекращение его использования далеко не неизбежно. Владельцы и операторы коммунальных предприятий могут стабилизировать прогнозируемую стоимость газовых электростанций, проектируя новые установки для внедрения технологий будущего и осуществляя стабильные, плановые инвестиции в существующие мощности, которые позволят этим активам вырабатывать высокогибкую, диспетчерскую электроэнергию, которая будет иметь декретизацию и, в конечном итоге, нулевые выбросы углекислого газа (сценарий «нетто-ноль»).
Достижение поставленных целей.
Многие в электроэнергетике сохраняют уверенность, продолжая идти по пути к достижению первых 70% запланированных сокращений выбросов. Большинство коммунальных предприятий собираются вывести из эксплуатации угольные электростанции, являющиеся одними из крупнейших источников выбросов CO 2, и заменить многие из них возобновляемой генерацией.
Хотя это служит достижению цели «чистый ноль», недостатком является то, что коммунальные предприятия заменяют надежную генерацию прерывистым источником энергии. Таким образом, для достижения подхода «чистый ноль» электроэнергетическая отрасль должна внедрить решения, обеспечивающие гибкую диспетчерируемую генерацию для поддержания надежности и отказоустойчивости сети.
Сегодняшние современные газотурбинные генераторные установки удовлетворяют эту потребность. В простом цикле они могут подавать более 400 МВт в сеть за 10 минут и предназначены для достижения полной нагрузки комбинированного цикла в течение от 30 минут до одного часа. Газовые установки теперь могут переключаться на исключительно низкие нагрузки - в некоторых случаях менее чем на 25% от их базовой нагрузки - и могут наращивать от 10% до 15% от их полной нагрузки в минуту. Кроме того, газотурбинные установки начнут превышать 65% КПД во второй половине этого десятилетия.
Это визуализация запланированной электростанции с комбинированным циклом мощностью 660 МВт, расположенной на юге США, которая должна быть запущена в эксплуатацию в 2023 году.
Согласно отраслевым прогнозам цены на газ останутся на историческом минимуме в течение следующих нескольких десятилетий, что делает газ экономически эффективным топливом для гибкой диспетчерской генерации. Более низкая цена в сочетании с эффектом масштаба приводит к снижению цены за кВт от 2 до 3 долларов за миллион BTU.
Газ хорошо дополняет солнечную и ветряную генерацию, предлагая более сбалансированное производство электроэнергии, при котором одновременно низкие выбросы углерода и надежное энергоснабжение. За последние пять лет массивное строительство газовых, солнечных и ветряных электростанций позволило вывести из эксплуатации огромные угольные электростанции. В 2019 году в США отмечено сокращение выбросов углекислого газа на 140 миллионов тонн, согласно данным Международного энергетического агентства.
Учитывая стоимость, гибкость и характеристики выбросов, газовая генерация может остаться в топливной структуре на долгие годы.
Путь газовой генерации к чистому нулю.
Генерация газа, ориентированная на будущее означает проектирование установок, которые останутся конкурентоспособны в мире с нулевым энергопотреблением. Таким образом, выбросы углерода необходимо будет сократить, но электростанции на природном газе могут продолжать работать и после 2050 года, не имея механизма улавливания углерода за счет использования альтернативных способов компенсации. Это будет сделано путем перехода на низкоуглеродистые виды топлива, такие как водород, или путем утилизации и хранения углерода (CCUS).
Водород.
Современные газовые турбины способны работать на 30%-50% содержании водорода в топливе, и каждый из крупнейших производителей газовых турбин в этом десятилетии добился существенного прогресса на пути к сжиганию 100% водородного топлива. На самом деле, крупные газотурбинные установки могут сжигать больше водорода, чем обычно позволяет текущая подача тока.
Новейшие газовые турбины продвинутого класса и несколько более старых моделей будут оснащены новым оборудованием для более высокого содержания водорода, до 100%. Многие небольшие газовые турбины сегодня обладают значительными возможностями для сжигания водорода.
С точки зрения достижения «чистых» целей, газотурбинные установки, работающие на водороде, сохранят эксплуатационные характеристики, выделяя при этом только воду. Таким образом, рассматривая возможности получения положительной отдачи от газогенерирующих установок, коммунальные предприятия и инвесторы должны планировать переход на 100% водород и другие перспективные низкоуглеродистые виды топлива в качестве альтернативы.
Улавливание, утилизация и секвестрация углерода.
Еще одним технологическим сектором, добившимся значительного прогресса, является CCUS, который, как утверждает Центр климатических и энергетических решений (C2ES), может использовать более 90% выбросов углекислого газа, производимых в настоящее время электростанциями и промышленными предприятиями.
В настоящее время коммерчески доступные системы улавливания углерода на основе аминов, как правило, не являются экономически эффективными для добавления к установкам, работающим на природном газе. Тем не менее, многие новые технологии улавливания являются многообещающими, так же как и технологии использования, которые производят продукты на основе углерода, имеющие более высокую экономическую ценность, чем диоксид углерода. Сокращение выбросов углерода к 2040 году достигнет эффекта масштаба для электростанций, работающих на природном газе. Промышленные объекты с более высокой концентрацией углекислого газа, начнут использовать системы CCUS на десять лет.
Технологии CCUS могут быть легко учтены при планировании новых заводов и, как правило, могут быть установлены на существующих заводах. Гибкое внедрение и высокий уровень улавливания углерода делают CCUS привлекательным вариантом для перспективных газогенерирующих установок.
Требования к проектированию завода.
Широкое внедрение низкоуглеродистого топлива и CCUS займет время, но подготовительные работы уже ведутся. Например, проект IPA «Межгорное возобновление энергетики» будет гарантированно способен использовать 30% «зеленого» водорода к 2025 году, а к 2045 году планируется довести утилизацию водорода до 100%. В США также имеется несколько заводов, рассматривающих возможность ретрофита улавливания углерода для повышения нефтеотдачи.
В то время как экономические и эксплуатационные характеристики делают водород и CCUS привлекательными вариантами для перспективных активов по производству газа, не менее важно учитывать необходимые конструктивные элементы, которые будут способствовать долгосрочному внедрению этих инновационных технологий.
Во-первых, в надлежащих местах должно быть выделено пространство, чтобы можно было добавлять определенное оборудование, которое может потребоваться для обработки топлива или углерода (например, для хранения, смешивания, сжатия, обработки и т. д.).
Помимо учета низкоуглеродистого топлива или модернизации CCUS, коммунальные предприятия должны планировать экономически эффективное повышение производительности и проектировать каждую установку для обслуживания базисных, перемежающихся и вспомогательных рынков в течение срока службы. Несколько ключевых функций гибкости, которые всегда следует учитывать, включают в себя:
• Включение, как минимум, умеренного обжига воздуховодов в первоначальную конструкцию установки позволяет применять модернизацию газовой турбины, которая может привести к значительному повышению производительности в течение срока службы установки.
• Выходя за рамки теплоотдачи при базовой нагрузке, проектирование позволяет поддерживать низкую теплоотдачу в широком эксплуатационном диапазоне.
• Проектирование для вспомогательных услуг и услуг по обеспечению надежности сети, и, возможно, даже в качестве хранилища энергии после 2050 года.
- Рассмотрение конфигурации (например, рассмотрим несколько поездов 1 × 1 против конфигураций 2 × 1 и 3 × 1).
- Сверхнизкий запас хода даже с учетом нагрузок «парковки», чтобы минимизировать выбросы, а также расходы на эксплуатацию и обслуживание при низких ставках.
- Проектирование быстрого запуска.
- Проектные допущения для будущей интеграции перспективных технологий накопления тепловой энергии.
Установки, работающие на природном газе, обеспечивают неограниченные возможности аккумулирования энергии в сети, что позволяет ускорить освоение возобновляемых источников энергии. Надлежащим образом спроектированные установки, работающие на природном газе, будут продолжать повышать свою эффективность мирового уровня более чем на 65%. Поскольку в течение следующих 10–20 лет низкоуглеродистое топливо и технологии CCUS станут экономически привлекательными, газотурбинные установки сохранятся в качестве основного источника электроэнергии, который обеспечивает устойчивость и надежность энергосистемы при низких затратах.
Чистое будущее газа.
Компания Black & Veatch твердо верит в ценность возобновляемых источников энергии, новых технологий, таких как CCUS, и природного газа как ключевых факторов, способствующих созданию устойчивой инфраструктуры на глобальном уровне. Современные высокоэффективные установки для производства природного газа обеспечивают значительное сокращение выбросов углекислого газа по сравнению даже с электростанциями, работающими на сверхкритическом топливе. Они обеспечивают существенное сокращение выбросов по сравнению с газовыми установками, которые были построены всего 20 лет назад.
Как и любой инвестиционный план, исследования и планирование являются ключом к успеху. Таким образом, поскольку коммунальные предприятия оценивают, как лучше инвестировать средства в генерирующие активы, работающие на газе, крайне важно, чтобы была разработана оценка технологий, которые останутся жизнеспособны в следующем десятилетии. Также необходимо разработать планы, подробно описывающие, как использовать эти инновации с существующими генерирующими активами. Проектирование и строительство газотурбинных электростанций, построенных сегодня, должны включать в себя положения, позволяющие использовать новейшие технологии для рентабельной работы в сочетании с возобновляемыми источниками тяжелой генерации завтрашнего дня.