西门子能源和 Equinor 的高级管理人员表示，如果不燃烧清洁的氢气来发电，电力系统的深度脱碳将是不可能的。乍一看，清洁氢电厂的概念似乎完全荒谬。

为什么有人会使用可再生能源来制造绿色氢气，然后将其燃烧以发电？往返效率将低于 40%，因此每 10 千瓦时的风能或太阳能将提供少于 4 千瓦时的电力。以及为什么有人会通过碳捕获和储存 (CCS) 从天然气中制造蓝色氢气——加上甲烷重整和压缩、液化、运输和储存难以处理的氢气的所有额外费用——将 CCS 添加到现有的燃气发电厂？

然而，为什么西门子能源、Equinor 和 SSE 等主要能源公司认为，氢燃料发电厂有着光明的未来？

绿色氢能发电厂

德国的西门子能源公司——去年从其母公司西门子公司剥离出来——现在正在为客户提供氢燃料发电厂解决方案。

“如果我有可再生能源，将其转换为氢气并重新通电，总循环效率低于 40%，显然只有当你使用氢气作为可变可再生能源的长期储存和补偿时，这才有意义， ”西门子能源氢能销售副总裁 Erik Zindel 说。

“如果你真的想 [储存电力] 数天、数周、数月，或季节性储存——冬天使用太阳能从夏天开始，或从秋天到夏天使用风力——你需要将电力储存在一个化学方式。你仍然需要在冬天黑暗的低迷时期使用 [清洁] 电力，那时两到三周没有太阳，也没有风——你需要有氢气供应。”Erik Zindel 表示，大规模储氢也将有助于减少刮风/晴天期间风能和太阳能的削减。

“一旦你进入绿色氢领域，你就可以增加你想在电网中建造的可再生能源的数量，因为你可以利用多余的可再生能源”Zindel解释。

“因此，通过电解，并能够将多余的能量存储为氢气，您可以真正让电力系统大幅扩展可再生能源。因为如果你不这样做，它很快就会受到限制，因为你必须倾倒太多多余的能量。但一旦你可以利用多余的电力，那么你就可以真正将想要建造的可再生能源数量增加一倍、三倍、四倍。”

成本高

在 Equinor 和 SSE 计划建造一个全新的氢电厂的同时，西门子能源正在将其商业模式基于现有化石气电厂的改造，以及建造新的“氢气就绪”联合循环燃气电厂。

“然而，尽管将燃气发电厂改造成使用氢气运行会“相当便宜”，但如今使用清洁氢气发电在经济上没有意义”，Zindel 说。

他解释说，天然气比绿色、蓝色甚至未减弱的灰色氢气便宜得多。目前，绿色氢气的成本估计在 2.50-6 美元/公斤之间，蓝色氢气的成本在 1.50-4 美元/公斤之间。

Zindel 说，如果清洁氢气的价格为每公斤 2 欧元（2.35 美元），要使其与化石天然气具有成本竞争力，“将需要每吨 200-250 欧元之间的二氧化碳价格，所以它仍然很遥远”。在发布时，欧盟碳价格约为每吨 53 欧元。

Zindel 认为，清洁氢要到 2035 年才会用于大规模电力生产——部分原因是在运输和重工业等其他行业使用氢会更具成本效益。

“我们预计氢电气化将在 2035 年或 2040 年代大规模发生——那时我们真的必须对电力部门进行深度脱碳，”他说。

Equinor 表示，其 Keadby Hydrogen 设施只会“在适当的政策机制到位的情况下”继续进行。换句话说，需要大量的补贴支持。

“我们遇到了市场失灵，我们正在研究一种可能更适合某种生产商差价合约的商业模式。因此，承购商将为天然气支付价格，而那些生产蓝氢的公司将获得某种补贴来支付额外成本。”

为什么是现在？

如果西门子能源不相信电力部门将在未来 15-20 年内使用氢能发电，那么它今天为什么要营销氢燃料发电解决方案？

“出于各种原因，”辛德尔说。 “第一个是，我们知道这是未来，所以我们现在必须开始工作，我们的计划是在 20商业项目。

“我们预计联合循环发电厂将成为在完全脱碳电力场景中提供剩余负荷的主要技术选择，这些联合循环仅运行 20-30% 的时间——不会更多，因为你将有足够的时间系统中的风能和太阳能。”

他继续说道：“第二点——也是更重要的一点——是我们的客户今天需要为天然气建造发电厂。因此，如果您今天正在建造一座天然气发电厂，并在 2023-24 年进行商业运营，那么典型的预期寿命意味着这些发电厂在 2050 年代仍将运行，那时我们应该完全脱碳。”

“这意味着从现在开始建造的每座新的燃气发电厂很可能都必须在未来进行改造以燃烧氢气。因此，我们今天准备植物来做到这一点非常重要。这就是我们所说的“氢准备概念”。 因此，我们确保我们拥有正确的材料，选择了正确的电气设备，并且我们有足够的空间来安装额外的系统。”

“我们看到，至少在欧洲，几乎每个客户都在谈论他们新发电厂的氢气准备情况。但世界其他地区现在也变得非常积极。所以这是我们行业中一个非常重要的话题。他们已经看到核电站在其商业和技术生命周期结束之前很久就停止运行——他们现在看到燃煤电站也被从电网中撤出……他们搁浅资产，因此他们希望确保今天构建的联合循环是面向未来的。”

如何将燃气发电厂转化为氢气？

氢气与天然气具有不同的特性——例如，它是一个较小的分子，具有较低的能量密度并导致钢脆化——因此需要进行各种改变以使燃气发电厂能够使用 H2 运行。

“较低的体积密度主要影响所有上游设备——燃气轮机、燃气系统，你需要直径更大的燃料管，”Zindel 解释说。

“因此，如果您知道未来发电厂将不得不使用氢气运行，那么您可以使用正确的材料——首先建造更大直径的管道。”他解释说，如果涡轮机需要提升其中心轴以容纳更宽的管道，“这会立即质疑改造的经济可行性”。

可能需要的其他更改包括新的电气和气体检测系统，以及根据监管要求添加选择性催化还原 (SCR) 系统以减少一氧化二氮 (NOx) 排放（产生的温室气体），当氢气在富氮空气中燃烧时。

但最显著的变化是使燃气轮机能够燃烧 H2，这需要改变燃烧室和新的燃烧器。

“与天然气相比，氢气作为燃料具有更高的反应性和更高的火焰速度，”Zindel 说。 “这意味着火焰离燃烧器本身更近，你有火焰‘吞噬’燃烧器然后损坏它的风险。因此，您需要一种防回火的新型燃烧器设计。同时，你必须有一个稍高的火焰温度，这意味着氮氧化物排放量会增加。”

“然后就是……当通过燃烧室的空气流量很低时，如何在不损坏燃烧器的情况下启动或关闭设备？”

“这或多或少是我们面临的研发挑战——设计一种稳定且安全的燃烧器来燃烧氢气，同时控制氮氧化物排放。你不能完全消除它们，但你可以显着减少它们。”

Zindel 说，需要对所有温室气体有一个整体的看法。因此，这不仅涉及减少 CO2 和 NOx，还涉及减少甲烷——一种强大的温室气体——当使用天然气生产蓝色 H2 时会向上游排放。

为什么不使用燃料电池？

如果燃烧氢气总是会产生一些氮氧化物温室气体，为什么不使用无排放的燃料电池将氢气转化为电能呢？

“与带有燃气轮机的联合循环相比，燃料电池是一项具有竞争力的技术——但最终……它真的与经济有关，”津德尔说。

“如果你看看效率，今天的联合循环技术有 63-64% 的效率水平。因此，这已经高于通常限制在 60% 的典型燃料电池。那么联合循环发电厂的投资成本也比类似尺寸的燃料电池便宜得多。如果有的话，燃料电池接近联合循环的 LCOE平均能源成本还需要很多很多年的时间”

他继续说道：“然后，您需要考虑燃气轮机更高的燃料灵活性以及改造现有天然气联合循环以燃烧氢气的可能性，这将进一步减少所需的投资。

“所有这些都说明联合循环是未来氢气再电气化的主要技术。尽管燃料电池是一项极具吸引力且具有显着改进潜力的技术，但其主要应用领域将是机动性和联合循环不可行的小岛电网。”

中试工厂

Zindel 解释说，西门子能源目前正在建设和调试三个试点发电厂，它们将燃烧 100% 的氢气或富含氢气的气体混合物。

两个新的商业热电联产厂——俄罗斯西部的一个 500MW 设施和巴西圣保罗州的一个 80MW 项目——都将使用炼油厂的副产品氢气为这些炼油厂提供电力和热量，浓度分别为 27% 和 60%分别。目前，这两个工厂都在调试中。

但可以说，西门子能源最重要的试点项目将是法国的 12MW Hyflexpower 项目，该项目将在现有的燃气热电联产厂使用 100% 绿色氢气，该电厂为法国中西部的一家造纸厂提供电力和热量。

“对于我们的新燃烧器技术来说，这是一个很好的示范项目，它能够[燃烧]天然气和氢气之间的任何燃料组合，我们预计到 2023 年将实现 100% 的氢气和低氮氧化物排放，”Zindel 说。 “这将是我们在该领域的第一个真正的示范项目。”

现有设施将由包括 Engie Solutions、德国航空航天中心和四所欧洲大学在内的财团转换为氢气，并由欧盟委员会的地平线 2020 计划提供资金。

来源作者：Leigh Collins