Консорциум европейских компаний, научно-исследовательских институтов и университетов впервые в мире продемонстрировал полностью интегрированный проект «электроэнергия-водород-электроэнергия» в промышленном масштабе.
Четырехлетний проект демонстрации HYFLEXPOWER с уровнем 7 технологической готовности, предусматривает переоборудование теплоэлектроцентрали мощностью 12 МВт на целлюлозно-бумажном комбинате Smurfit Kappa компании Engie Solutions во Франции, чтобы продемонстрировать полный цикл преобразования водорода.
Установленная в 2007 году ТЭЦ в настоящее время использует природный газ через газовую турбину Siemens Gas and Power SGT-400 и котел-утилизатор для производства электроэнергии, которая продается французской коммунальной компании EDF по регулируемому тарифу. Производимый пар используется бумажной фабрикой Smurfit Kappa для сушки целлюлозы из переработанной макулатуры для производства новой бумаги.
Целлюлозно-бумажный комбинат Smurfit Kappa компании Engie Solutions во Франции.
Сотрудничество.
Компания Siemens Gas and Power, которая играет решающую роль координатора пилотного проекта HYFLEXPOWER, предоставит электролизерную систему для производства водорода из избыточной возобновляемой энергии в регионе. Часть этого водорода может использоваться для хранения. Также Siemens модернизирует газовую турбину SGT-400 ТЭЦ, на которой будет производиться сжигание различных газовых и водородных смесей с целью выработки электроэнергии, постепенно увеличивая объем водорода до 80%, а со временем и до 100%. Engie, тем временем, построит хранилище для производства и хранения водорода.
Общий бюджет проекта Horizon 2020 составляет 15,2 миллионов. Европейский союз (ЕС) выделяет 10,5 миллиона евро, а остальное финансирование предоставят различные партнеры консорциума. Основную часть финансирования получат Siemens, Engie и британская фирма по производству газотурбинных генераторов Centrax, которая будет модернизировать пакет для работы на водороде и установит новую турбину.
HYFLEXPOWER стремится доказать, что водород можно производить и хранить из возобновляемых источников электроэнергии, а затем добавлять до 100% к природному газу, используемому в настоящее время на теплоэлектростанциях.
Немецкий аэрокосмический центр (DLR) будет координировать действия совместно с университетским колледжем Лондона, университетом Дуйсбург-Эссен в Германии и Лундским университетом в Швеции для поддержки развития технологии водородных турбин. В частности, Национальный технический университет Афин проведет экономическую, экологическую и социальную оценку концепции, а французская консалтинговая компания Arttic окажет поддержку оперативному управлению проектами и коммуникационную деятельность.
Завершение проекта намечено на 30 апреля 2024 года. Участники проекта будет стремиться, прежде всего, к достижению «работы при полной загрузке и производству электрической энергии мощностью 12 МВт с использованием высоководородных топливных смесей не менее 80% по объему водорода до 100%».
Испытания продемонстрируют, что «предельные значения выбросов в таких установках могут быть не только соблюдены, но и снижены. Наконец, будет разработана экономическая оценка для этой демонстрационной экспериментальной установки Power-to-H2-Power, чтобы продемонстрировать экономические преимущества применения».
Для наиболее полного достижения целей проект будет поэтапным. В 2021 году HYFLEXPOWER будет работать над установками по производству, хранению и снабжению водородом на пилотной демонстрационной площадке. Работы по установке газовой турбины для смесей природного газа и водорода начнутся в 2022 году, после чего проект будет работать над демонстрацией передовой концепции пилотной установки. К 2023 году планируется начать пилотную демонстрацию с использованием водорода.
От мощности до мощности Х.
В начальном состоянии преобразование электроэнергии в газ является перспективным подходом к преобразованию возобновляемой энергетики в «зеленый» водород и метан, предоставляя сектору возобновляемой энергетики потенциально прибыльный набор конечных видов использования. Power-to-Gas (иногда сокращенно P2G или PtG) описывает процесс преобразования возобновляемой энергии в газообразные энергоносители, такие как водород или метан, посредством электролиза воды - преимущественно щелочного электролиза, электролиза на основе протонообменных мембран (ПЭМ) и твердооксидных электролизных ячеек. Произведенный «зеленый» водород может использоваться при ряде способов, которые обещают отделить возобновляемые источники энергии от электроснабжения, чтобы избежать избыточных отключений и, возможно, обеспечить сектор ассортиментом новых потоков доходов.
За последние два десятилетия было запущено более 200 проектов по преобразованию электричества и воды в водород посредством электролиза с целью сокращения выбросов или для поддержки интеграции возобновляемых источников энергии в энергосистему, но большинство из них были пилотными или демонстрационными проектами мощностью менее 1 МВт. В последнее время в связи с усилением дискуссий о месте P2G в будущих энергетических системах и технологических достижениях планируется несколько более крупных проектов.
В то же время разработчики переосмысливают роль водорода в обеспечении электроэнергией энергосистемы. В то время, как за последние два десятилетия было построено или запланировано несколько водородных энергетических проектов, многие из них связаны со сжиганием водорода в газовых турбинах, хотя и в небольших объемах и с так называемым «серым водородом», полученным из ископаемого топлива. Все больше разработчиков в настоящее время изучают возможность использования «зеленого» водорода для производства электроэнергии. Все крупные производители газовых турбин, например, в настоящее время разрабатывают газовые турбины, которые могли бы сжигать 100-процентный водород, как для пиковой, так и для базовой нагрузки в качестве безуглеродистой альтернативы природному газу. Другие проекты преобразования энергии из газа в энергию охватывают различные области применения, в том числе топливные элементы ТЭЦ, промышленное теплоснабжение и генераторы.
С 2000 года было построено, строится или планируется несколько проектов, использующих водород для подачи энергии в сеть с газовой турбиной или топливного элемента.
Ценность интегрированной демонстрации.
Однако, как отмечалось в январе 2020 года в докладе Водородного совета - международного консультативного органа на уровне генеральных директоров – «в зависимости от региона, конечные расходы на возобновляемый водород имеют большое значение». Возобновляемый водород, получаемый в процессе электролиза, сегодня стоит около 6 долларов за килограмм. Но с 2010 года стоимость электролиза упала примерно на 60% (с 10-15 долларов за килограмм водорода до 4 долларов за килограмм). В качестве примера приводится электролиз на шельфе в Германии, предполагаемые затраты на котором к 2030 году могут упасть еще на 60%.
Если к 2030 году затраты на производство и распределение водорода продолжат падать, водородные решения могут конкурировать с другими низкоуглеродистыми альтернативами в водородных турбинах простого цикла для пиковой мощности, водородных котлов и промышленного отопления. Тем не менее, низкоуглеродистый водород для базовой нагрузки будет «актуален только в регионах, с ограниченным потенциалом возобновляемых источников энергии; или когда ископаемые виды топлива не возможны. В таких случаях, «компании могут импортировать водород и использовать его для водородных турбин».
Финансовые затраты являются основным фактором для участников HYFLEXPOWER. Они отмечают, что полная комплексная интеграция проекта с существующей возобновляемой электростанцией, системой электролиза и водородной газовой турбиной большого объема должна сыграть важную роль в значительном снижении затрат и минимизации сроков выполнения заказа по сравнению с новым месторождением.
Для Engie демонстрация также открывает новые возможности на рынке. У компании уже есть ряд действующих или запланированных проектов для поддержки разработки возобновляемого водорода для промышленных применений, включая проект с участием французского организатора распределения электроэнергии Morbihan Énergies и французского гиганта по производству шин Michelin, запущенный в марте 2020 года. Этот проект под названием «HYGO», формализует подачу зеленого водорода на площадку Michelin в Ванне, на северо-западе Франции, для использования в процессах термообработки, а также предусматривает создание «зеленой» станции распределения водорода для легковых и грузовых автомобилей, в том числе для зарядки общественного транспорта на заводе Michelin.
Тем временем Centrax рассматривает процесс развития технологий. «Наша цель состоит в том, чтобы газотурбинные комбинированные тепловые и энергетические системы были готовы к использованию водорода», чтобы обеспечить клиентам решения для выработки электроэнергии в будущем», - сказал Гарри Трамп, директор по развитию бизнеса Centrax Ltd.
Для Siemens эта возможность предлагает комплексные усилия по межсекторной декарбонизации с использованием собственного оборудования. Как отметила в недавнем официальном документе генеральный директор Siemens Gas and Power Лиза Дэвис (Lisa Davis), соединение секторов с помощью «зеленого» водорода станет основным элементом и основой энергетического будущего с использованием возобновляемых источников энергии.
«Преобразование электричества в водород или синтетическое топливо делает его пригодным для хранения, транспортировки и использования для всех видов энергопотребляющих секторов, расширяет применение «зеленой» энергии во всей энергосистеме», - сказала она.
Модульный подход Siemens к развивающемуся рынку Power-to-X.
В частности, Siemens, приближается к бизнес-возможностям, предлагаемым power-to-x, с помощью «модульного» подхода, включающего пакеты технологий, охватывающие весь процесс применения power-to-x.
Siemens предлагает использование возобновляемых источников энергии, включая подключение к сети, или внутренним источникам энергии. Пакет H2 предлагает электролизер, сжатие водорода и промежуточное хранение; пакет повторной электрификации предлагает долговременное хранение водорода, водородную газовую турбину, поршневой двигатель, топливный элемент или систему аккумулирования энергии аккумулятора. Пакет «Синтез электронного топлива» включает улавливание углерода из дымовых газов, сжатие и синтез топлива. Наконец, пакет «Под ключ» предусматривает выполнение компанией проектирования, закупок и строительства (EPC) для электростанции.
Однако работа по уточнению конкретных компонентов, которые позволили бы использовать такие подходы, все еще продолжается. Например, ключом к пакету Siemens e-Hydrogen являются компрессоры, которые сжимают водород для хранения или дозаправки до давления 700 бар.
Системы Silyzer сегодня широко применяются в различных проектах по всему миру. Например, в проекте электролиза PEM мощностью 6 МВт Energiepark Mainz в Германии используется технология Silyzer второго поколения (три установки Silyzer 200) для преобразования избыточной энергии ветряных электростанций в водород. Несмотря на то, что эксплуатация проекта началась еще в мае 2014 года, он по-прежнему является одним из крупнейших действующих в мире проектов power-x. Хотя Siemens не уточняет, какую технологию электролизера будет использовать в HYDROFLEXPOWER, компания отметила, что недавно выпустила Silyzer 300 - систему, предназначенную для крупномасштабного промышленного применения в «двузначном мегаваттном диапазоне». Эта модель электролизера PEM может производить до 2000 кг / час и имеет производительность установки более 75%. Компания также отметила, что работает над моделью PEM мощностью более 100 МВт.
SILYZER 300 от Siemens предназначен для минимизации общих инвестиционных затрат в крупных промышленных электролизных установках. По словам Siemens, полный 24-модульный массив может использовать 17,6 МВт возобновляемой энергии для производства 340 кг / час водорода при эффективности системы 75% (при более высокой теплотворной способности).
В тандеме он возглавляет гораздо более крупные проекты Power-to-x. Одним из ярких примеров является проект по возрождению водорода в Западной Австралии в Мурчисоне. Совместно разрабатываются проект Siemens и Hydrogen Renewables Australia (HRA), который может использовать электролизер Silyzer Siemens для преобразования 5 ГВт солнечной и ветровой генерации для производства водорода для закачки его в газопровод, а затем для экспорта на газоемкие Азиатские рынки, особенно Японии и Южной Кореи. В мае этого года HRA подписала меморандум о взаимопонимании (MoU) с Австралийской газовой инфраструктурной группой (AGIG), компанией, которая уже имеет проекты по экологически чистому водороду в четырех австралийских штатах. Меморандум о взаимопонимании направлен на ускорение освоения водорода в Австралии, а также для изучения возможности закачки водорода в трубопровод проекта Мерчисон, который расположен к северу от Калбарри на западе Австралии.
Поиск декарбонизированной газовой турбины.
Особенно интересным для энергетического сектора может быть исследование систем Siemens для обеспечения эффективной «повторной электрификации». Пакет, который предлагается, в основном включает в себя хранение большой емкости электрической энергии, произведенной и сжатой с помощью пакета e-Hydrogen, а также сжигание в газовых турбинах (как простого, так и комбинированного цикла), двигателях или топливных элементах.
В рамках консорциума HYFLEXPOWER Siemens модернизирует существующую промышленную газовую турбину SGT-400 для выработки электрической и тепловой энергии с помощью накопленного водорода и продемонстрирует промышленное решение для преобразования электроэнергии в энергию H2 в промышленном масштабе.
Наилучшим вариантом использования переэлектризованной энергии в краткосрочной перспективе может быть балансировка энергосистемы, поскольку электролиз выступает в качестве «единицы быстрой компенсации отрицательной энергии» в случае перегрузки сети возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Сегодня уже существуют большие избыточные мощности ВИЭ. «Хранение избыточной электроэнергии этих источников в химическом виде может быть более выгодным, чем сокращение мощностей ВИЭ в пиковые периоды производства».
Компания Siemens не одинока в изучении вариантов повторной электрификации. В то время как HYFLEXPOWER будет первой громкой интегрированной демонстрацией, несколько ее основных конкурентов по газовым турбинам, в том числе GE Power, Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) и Ansaldo Energia , добились успехов в создании нишевых приложений для применения водородных турбин с большим объемом водорода. В частности, в марте этого года MHPS получила свой первый заказ на усовершенствованную газовую турбину, предназначенную для перехода на возобновляемое водородное топливо, от государственного агентства межгорной электроэнергетике штата Юта. MHPS сообщила POWER, что планирует перейти на турбины серии J для сжигания 100% водорода к 2045 году.
Ansaldo в октябре 2019 года сотрудничала со специалистом по улавливанию углерода Equinor для проверки 100%-ной водородной газотурбинной камеры сгорания. Итальянская компания участвует в нескольких известных европейских и международных проектах. К ним относятся EncapCo, проект по разработке камер предварительного сгорания для сжигания топлива с высоким содержанием водорода; DECARBIT, которая разрабатывает камеры сгорания с подогревом для 100% водорода; и BigH2, изучающая основы топливных инжекторов.
Как и Ansaldo, Siemens входит в отраслевую ассоциацию EUTurbines, которая в январе 2019 года взяла на себя обязательства по разработке газовых турбин, способных к 2030 году работать на 100% водороде. И, как и в случае с GE Power, турбины, которой десятилетиями вырабатывают энергию из различных смесей водорода, Siemens заявляет, что большинство ее турбин уже способны работать на водороде «в значительной степени».
Многие из моделей газовых турбин Siemens уже способны работать на водороде, а некоторые уже доступны как варианты с «высоким содержанием водорода».
Используя опыт, накопленный с 1960-х годов при производстве 55 турбин, работающих на водороде, Siemens добилась заметных успехов в реализации своей «дорожной карты» по увеличению возможностей использования водорода во всех своих моделях турбин к 2020 году как минимум на 20%, и 100% к 2030 году. Например, в прошлом году компания объявила, что все ее аэродинамические установки, оснащенные системами мокрого сгорания с низким уровнем выбросов, основанными на технологии диффузионных горелок, уже достигли цели 2030 года по 100% -ному использованию водорода.
Проект HYFLEXPOWER будет стремиться продемонстрировать 100% способность водорода своих промышленных турбин оснащенных технологией сухого низкого уровня выбросов (DLE).
Существующая турбина Siemens SGT-400, участвующая в проекте HYFLEXPOWER, представляет собой небольшую промышленную газовую турбину, в которой используется технология горелки G30, проверенная конструкция предварительного смешивания с радиальным вихревым затвором, которая обеспечивает гибкость топлива, и способна работать при 10% водорода. Siemens планирует довести объем водорода до 100% путем усовершенствования технологии сжигания DLE с помощью программы исследований и разработок в области технологии горелок.
«Siemens Gas and Power стремится стать движущей силой декарбонизации энергетических систем всего мира», - сказал Карим Амин, генеральный директор подразделения Siemens Gas and Power Generation. «Наша цель - сделать газовые турбины пригодными для использования 100% водорода. Таким образом, газовые турбины Siemens могут стать «технологией выбора» наших клиентов, дополнить использование возобновляемых источников энергии и обеспечить надежное энергоснабжение в декарбонизированном мире будущего».