Газовые турбины ТЭС являются частью современной энергосистемы благодаря своей высокой эффективности, надежности, эксплуатационной и топливной гибкости. Но во время внедрения возобновляемых источников энергии, накопителей энергии и декарбонизированного газа - водород, аммиак, синтетический метан и другие виды «зеленого» топлива - первостепенное внимание в любой области энергетики уделяется исследованиям и разработкам (НИОКР).
По данным ETN Global, некоммерческой торговой группы со штаб-квартирой в Брюсселе, представляющей всю цепочку создания стоимости технологий газовых турбин, применение газовых турбин будет основано на гибридизации технологий газовых турбин с возобновляемыми источниками и накопителями энергии.
Современные газовые турбины работают с повышенной энергоэффективностью и производительностью и стали более гибкими в эксплуатации. Одновременно с сокращением выбросов углерода на существующих объектах, «будущие системы должны работать при нулевых выбросах или интегрировать решения по улавливанию, использованию и хранению углерода (CCUS)».
В опубликованном в июле отчете ETN изложила свои рекомендации по технологиям газовых турбин в области НИОКР. Рекомендации были подготовлены советом, в состав которого вошли ведущие специалисты европейских институтов; коммунальные предприятия - Enel и Uniper; производители газовых турбин - Siemens Energy, Ansaldo Energia и Baker Hughes; энергетические компании - Equinox и TotalEnergies; представители Национального центра аэронавтики и космических исследований Германии и Норвежского исследовательского центра.
В отчете освещаются последние экологические события в Европе - отказ от угольного топлива и ядерной энергетики, сокращение выбросов водорода и метана, пересмотр Директивы о промышленных выбросах и устойчивое финансирование, которые и определяют новые требования к развитию технологий.
1. Операционная гибкость.
Для обеспечения гибкого резервирования и гибкости глобальной энергосистемы необходимы газовые турбины открытого цикла (OCGT) или газовые турбины комбинированного цикла (CCGT).
В дополнение к частичной диспетчеризации [системы возобновляемых источников энергии], современные газовые турбины должны иметь следующие свойства:
- быстрый запуск и останов (недавно построенные парогазовые установки имеют 15-30 минут горячего запуска, 60 минут теплого запуска);
- быстро реагировать на изменения нагрузки (тематические исследования предполагают до 40–50 МВт / мин);
- минимизировать влияние на потребление и выбросы в течение срока службы компонентов.
Поэтому требуется тщательное изучение технологий как на уровне компонентов («проектирование до срока службы»), так и на уровне системы, включая интеграцию с батареями, хранилищами сжатого или сжиженного воздуха [Рисунок 1].
1. HYFLEXPOWER, демонстрационный проект полностью интегрированного преобразования энергии в водородную энергию в промышленном масштабе и в реальных приложениях электростанции, преобразует комбинированную теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) мощностью 12 МВт (эл.) на целлюлозно-бумажной фабрике Smurfit Kappa (компания Engie Solutions в Сайя-сюр-Вьен, Франция). По данным компании Siemens Energy, в этом году в рамках проекта будет установлено оборудование для производства, хранения и подачи водорода. В следующем году начнется первоначальная демонстрация сжигания смеси природного газа и водорода. Источник: Siemens Energy.
Однако быстрый цикл требует усовершенствования в области сжигания для решения проблемы выбросов. В отчете говорится, что изменения конструкции, касающиеся усталости материалов и компонентов, также должны полностью учитываться.
В отчете отмечается «вероятность серьезных повреждений на компонентах, разрушение термобарьерных покрытий, «усталость» лопастей турбин, растрескивание и деградация камеры сгорания. Это усугубляется возникающими требованиями по сокращению капитальных и эксплуатационных расходов для конкурентоспособности газовых турбин. НИОКР необходимо сосредоточиться полностью на всем предприятии, в том числе на нижнем цикле. Вместо классического нижнего цикла водяного пара сегодня рассматриваются органические циклы Ренкина и циклы на основе углекислого газа (CO2) (чистые или с добавками, Ренкина и Брайтона) с различными конфигурациями цикла.
2. Повышение эффективности производства электроэнергии.
«Производители оригинального оборудования (OEM) сообщают, что КПД газовых турбин большой мощности в настоящее время составляет 42,5% (стандарт ISO) в режиме простого цикла и 62,5% при комбинированном цикле, средний КПД новых установок в Европе ниже 50%», - отмечается в отчете. Эффективность установок также снижается из-за работы в условиях неполной нагрузки, поэтому «некоторые представители отрасли призывают к использованию других циклов», например, цикл повторного нагрева Брайтона.
Между тем, несмотря на беспрецедентную оптимизацию конструкции газовых турбин, дальнейшее повышение их эффективности может быть достигнуто за счет снижения зазоров турбины. «Необходимы будущие системы, способные еще больше минимизировать поток утечки в компрессоре и, что более важно, в турбине, без физического контакта между вращающимися и неподвижными частями», - говорится в отчете. Повышение эффективности также может достигаться за счет модернизации конструкций газовых установок, многоцелевой топологической оптимизации и активного управления охлаждающими потоками.
Существуют и другие возможности для «циклов подпора с одним давлением, повторного нагрева с субкритическим или сверхкритическим давлением свежего пара и сжигания в воздуховоде для повышения гибкости».
3. Адаптация к расширенному спектру топлива.
Сегодня газовые турбины в основном работают на природном газе, но «некоторые OEM-производители разрабатывают проекты по 100%-ному сжигания водорода». В отчете отмечается: «Смеси топливных газов (синтез-газ, водород) и разбавители (CO2, H2O) выходят на первые позиции по мере того, как новые процессы на основе газовых турбин и новые топливные ресурсы (биотопливо, сланцевый газ, СПГ [сжиженный природный газ]) предлагаются для производства электроэнергии и промышленного применения». В этот спектр также входят новые углеродно-нейтральные продукты, такие как биомасса в жидкость и энергия Х.
Однако неизвестно как эти вещества смогут обеспечивать стабильность горения и соблюдение норм выбросов. Эти проблемы также могут «усугубиться, если будет рассматриваться переход на гибкое топливо».
4. Сокращение выбросов.
Уровни выбросов оксидов азота (NOx) газовых турбин в течение последних десятилетий постоянно снижались. Однако все больше и больше проектов принимают 15 частей на миллион (ppm) NOx в качестве целевого показателя выбросов. Перед газотурбинными технологиями стоит задача по ограничению выбросов при частичной нагрузке, а также при использовании жидкого топлива, водорода и топливных газов с высоким содержанием водорода. Альтернативы традиционному сгоранию с обедненной смесью оказались многообещающими.
Сокращение выбросов CO2, с другой стороны, может быть достигнуто за счет повышения эффективности, гибридизации процессов, использования низкоуглеродных видов топлива и интеграции технологий улавливания CO2. Среди исследуемых вариантов - интеграция улавливания CO2 в производство электроэнергии на основе возобновляемого топлива (например, биотоплива), которая «приводит к отрицательным выбросам CO2 и может быть интересным вариантом при рассмотрении торговли выбросами как части бизнес-плана».
Однако интеграция улавливания CO2 после сжигания с газовыми турбинами потребует выбора подходящей технологии для оптимизации интеграции при сохранении гибкости установки. Варианты, которые следует дополнительно изучить, включают интеграцию «традиционной» очистки амином после сжигания или других технологий на основе жидкости для минимизации затрат.
Альтернативные технологии улавливания дожигания, такие как циклы кальциевого цикла или твердые сорбенты, использующие концепции колебаний давления или температуры, могут улучшить интеграцию тепла (что приведет к более низким эксплуатационным расходам).
Другие варианты включают рециркуляцию выхлопных газов, в том числе «расширенные» варианты рециркуляции (использование мембран для разделения CO2).
5.Усовершенствованные циклы.
Газовая энергетика по-прежнему играет решающую роль для резервирования и стабилизации сети. Поэтому возрастает значение усовершенствование циклов. Однако постепенное повышение эффективности газовых турбин и технологические изменения в ближайшей перспективе не обеспечит достижение углеродных целей, установленных, Европейской комиссией на 2030 год.
«Расширенные циклы - один из ключевых элементов, отвечающих растущим требованиям, а различные технологии открывают возможности как с чисто термодинамической точки зрения, так и с точки зрения системной интеграции». Однако и здесь есть серьезные проблемы: «Большинство газовых турбин с усовершенствованным циклом (ГТ) связаны с другими системами и компонентами или даже с такими процессами, как высокотемпературные топливные элементы и солнечные воздухонагреватели. Такая интеграция часто требует изменения массового расхода компрессора или турбины, а также различных рабочих жидкостей. ГТ, представленные в настоящее время на рынке, не предназначены для такого типа интеграции процессов», - отмечается в отчете. Будущие НИОКР должны быть направлены на разработку концепций «легко интегрируемых и гибких газовых турбин, в противном случае для каждого цикла потребуется адаптация для конкретной газовой турбины». Особое внимание следует уделять возможностям модернизации и преобразования, учитывая, что большая часть нынешних установленных мощностей, состоящих в основном из традиционных электростанций, продолжит работу до 2030 года.
Для достижения этой цели потребуется глубокое изучение и тестирование материалов, а также надежные инструменты численного моделирования, включая систему инструментов, позволяющую анализировать расширенные интегрированные циклы без необходимости вручную переходить от инструментов моделирования электростанций к инструментам моделирования процессов. Необходимо также разработать инструменты для анализа переходных процессов, так как газовые турбины все чаще используются для балансировки энергии.
Среди нескольких перспективных усовершенствованных циклов в отчете выделяются сверхкритические циклы CO2 (рис. 2). «В настоящее время доступны коммерческие системы для утилизации отходящего тепла от 5 до 10 МВт [на уровне технологической готовности (TRL) 9], в то время как технология находится на докоммерческой стадии (TRL7–8) для приложений природного газа». Тем не менее, эти системы все еще нуждаются в разработке компактных, высокоэффективных и экономичных теплообменников, высокотемпературных систем кислородного сжигания и усовершенствованных конструкций турбомашин. «Системная интеграция как функция масштаба также требуется дальнейшее изучение, так как это критически важно для оптимизации и работы системы в нестандартных условиях».
2. В США и Великобритании разрабатывается несколько электростанций NET Power мощностью 280 МВт, которые будут использовать цикл Аллама-Фетведта - новый энергетический цикл «сверхкритический диоксид углерода». На снимке испытательный центр NET Power в Ла-Порте, штат Техас, где в мае 2018 г. был произведен первый запуск в камере сгорания 50 МВт промышленного масштаба.
Еще один усовершенствованный цикл, имеет потенциал для достижения той же средней по времени температуры на выходе из камеры сгорания, что и обычные циклы Брайтона, но при более высоком уровне давления. Влажные циклы, в которых используется рабочая жидкость с высоким содержанием воды, представляют собой различные варианты с TRL от 2 до 9 (наиболее зрелым является цикл Ченга), но здесь также необходимы исследования и разработки для различных компонентов на системном уровне.
Органические циклы Ренкина (ORC) для стационарной выработки электроэнергии уже в настоящее время являются коммерческими (для использования в малых и средних приложениях), но дальнейшие исследования могут повысить их производительность и рентабельность. Необходимы новые концепции циклов, обеспечивающие более высокую тепловую эффективность за счет сверхкритического парообразования, каскадных схем или циклов, адаптированных к особенностям определенных приложений.
6. Системная интеграция и хранение энергии.
Интеграция газотурбинных технологий в другие системы может предложить инновационные решения, но необходимо решить несколько технических проблем, которые связаны с хранением жидкости и хранения тепла / холода.
Например, тепловые накопители можно использовать в нескольких различных энергетических циклах. «Современное состояние высокотемпературного хранения включает технологию фазового перехода (расплавленные соли); в то время как различные комбинации солей (бинарные и тройные) рассматриваются для достижения температуры выше 520C, а также исследуются другие среды (например, технологии на основе кремния или на основе кальциево-углеродных петлевых солей). Стабильность, требования к техническому обслуживанию и совместимость материалов - все это необходимо решить», - говорится в отчете.
В то же время возможность интеграции аккумуляторов тепла для гибридных газовых турбин на солнечной энергии может потребовать разработки уникальных циклов, которые бы разделяли «систему сгорания газотурбинной установки, чтобы обеспечить подачу тепла от аккумуляторов тепла, а также управления балансом между солнечной и химической энергией в переходных режимах».
В целом все схемы накопления энергии ограничены с точки зрения диапазона изменения или эксплуатационной гибкости. Перспективные системы, объединяющие различные системы преобразования энергии, включают в себя использование топливных элементов в различных частях обычной установки преобразования энергии. Несмотря на то, что масштаб по-прежнему ограничивает общую выходную мощность, топливные элементы могут использоваться в качестве суррогатной системы «сгорания» для технологий, производимых от газовых турбин, поскольку они работают (особенно твердооксидные топливные элементы) при высоких температурах. Однако наибольшей проблемой является управление переходными процессами - две конверсионные системы имеют очень разное время реакции, как отмечается в отчете.