歐洲的目標(biāo)是到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和能源系統(tǒng)。未來，除沼氣外，合成甲烷、甲醇和氫氣等合成燃料可以驅(qū)動燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，從而加速從化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)變。目前，歐洲近 55%的已投運(yùn)INNIO 顏巴赫燃?xì)獍l(fā)動機(jī)機(jī)群正在使用沼氣或生物甲烷。

脫碳的挑戰(zhàn)

如今，世界及其氣候的變化比以往任何時(shí)候都快。全球二氧化碳濃度平均值已超過 400 ppm。不同的方案詳細(xì)描述了如何減緩全球變暖，但它們的共同點(diǎn)是要求大幅削減或完全淘汰化石燃料。 歐盟議會制定了“歐洲綠色協(xié)議”，將當(dāng)前的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為歐洲的機(jī)遇。

擺脫化石燃料將是未來幾年和幾十年的挑戰(zhàn)。作為 CO 2 排放的主要貢獻(xiàn)者之一，交通正朝著電動汽車的方向發(fā)展。 由于電池充電時(shí)需要即時(shí)電力，所以電能需要始終可用。這意味著風(fēng)能和太陽能等知名可再生能源系統(tǒng)將強(qiáng)勁增長。 由于風(fēng)能和太陽能并非一直可用，因此維持脫碳的關(guān)鍵是儲存電能。解決存儲挑戰(zhàn)是能源從化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分。這使得解決存儲問題成為能源革命的重要組成部分。 為了明智地實(shí)現(xiàn)脫碳，需要大規(guī)模的存儲設(shè)施。 氫氣 (H2) 和合成燃料是一種潛在的解決方案，因?yàn)樗鼈兛梢詢Υ娓L時(shí)間。【1】

關(guān)鍵挑戰(zhàn)——儲能

由于風(fēng)能和太陽能等可再生能源的波動性，儲能是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。 一方面，需要一個(gè)短期的解決方案來平衡一天內(nèi)的波動。另一方面，季節(jié)性波動需要在半年期間存儲數(shù)TWh的能量，如圖 1 所示。它表明，使用電池進(jìn)行儲能是一個(gè)可行的選擇，時(shí)間僅為幾個(gè)小時(shí)。 無碳燃料的季節(jié)性儲存必須遵循氫氣路線。 氫氣可以直接儲存或儲存在氫氣載體中(比如合成燃料)。

圖 1 不同儲能技術(shù)的容量與持續(xù)時(shí)間(© INNIO顏巴赫)

以化學(xué)形式儲存能量的所有儲存選項(xiàng)都以通過水電解產(chǎn)生的氫氣作為開始。氫氣可以直接儲存在地下洞穴中，也可以輸送到天然氣管道中，形成天然氣和氫氣的混合物。如果將氫氣送入管道，則可能具有不同的混合速率，這種情況目前是允許的。作為替代解決方案，純氫氣可以在管道中儲存或運(yùn)輸，從而可以輕松利用純氫。下游工藝將能夠保持此類電解制氫 (PtG)中氫氣非常好的清潔度。例如，將氫氣加工成甲烷(也稱為合成天然氣，SNG)或其他合成燃料(e-fuels)具備諸多優(yōu)勢。這些燃料可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中使用，無需進(jìn)行大量的升級改造。因此，至少從最終用戶的角度來看，基礎(chǔ)設(shè)施改用無化石能源是很容易的。但這個(gè)過程有一個(gè)缺點(diǎn)，即需要二氧化碳。但這一將氫氣轉(zhuǎn)換成甲烷的工藝過程，其缺點(diǎn)是需要二氧化碳。盡管大氣中的二氧化碳濃度已創(chuàng)歷史新高，但對于分離工藝來說這個(gè)濃度還是太低。另一種選擇是將二氧化碳從發(fā)電廠的廢氣中分離，并將其用于生產(chǎn)合成燃料，如圖 2所示。

圖 2 顏巴赫燃?xì)獍l(fā)動機(jī)未來的角色 (© INNIO顏巴赫)

如果有可能生產(chǎn)出具有成本效益的合成燃料，那么放棄化石燃料將相對容易，因?yàn)樽罱K用戶不需要對其資產(chǎn)進(jìn)行任何更改——或者只需要很小的升級改造。現(xiàn)在，此類示范項(xiàng)目已經(jīng)出現(xiàn)，該技術(shù)可靠且有效——但與使用化石燃料相比，它的成本太高。

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的燃料

“綠色”合成甲烷將是天然氣的極好補(bǔ)充和替代。合成甲烷是通過氫氣的甲烷化生產(chǎn)的。這種合成甲烷具有與天然氣相同的物理特性，因此可以注入天然氣系統(tǒng)，即利用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施。而現(xiàn)有以天然氣為燃料的設(shè)備，包括燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，都可以繼續(xù)以目前的性能和排放標(biāo)準(zhǔn)可靠地運(yùn)行。

氫能在替代化石天然氣方面發(fā)揮重要作用。它無碳，且可用作燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的燃料。 在未來幾十年中，風(fēng)電場和光伏裝置的進(jìn)一步發(fā)展可以通過電解制氫(PtG，Power to Gas)提供“綠色”氫氣。 雖然氫氣不同于天然氣，但也可以通過管道和儲罐運(yùn)輸，并且在某種程度上，可以使用現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施。因此，氫氣可用于工業(yè)、供熱、運(yùn)輸和發(fā)電等不同領(lǐng)域。

氫氣可以注入天然氣管道。在這種情況下，必須了解天然氣中氫氣的比例。 我們的建議是安裝一個(gè)氫傳感器來確定天然氣中的氫氣含量并相應(yīng)地調(diào)整發(fā)動機(jī)。

氫氣作為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的燃料

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)非常適合使用不同種類的燃?xì)猓虼耸褂脷錃夂蜌錃?天然氣混合燃?xì)獍l(fā)電是可行的選擇。當(dāng)然，根據(jù)氣體混合物的成分，我們需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行不同的調(diào)整。

INNIO顏巴赫多年來一直在使用高氫含量的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)。例如，有許多個(gè)使用鋼鐵生產(chǎn)工藝的過程尾氣或者氫氣含量高達(dá) 60 vol% 的合成氣(synthetic gases)的項(xiàng)目案例正在運(yùn)行。最近的項(xiàng)目則是以氫氣與天然氣的混合燃?xì)鉃槿剂希瑲錃怏w積高達(dá)70 vol %。 在2020年夏季，第一座使用 0 到 100 vol% 的氫氣混合燃?xì)獾臒犭娐?lián)產(chǎn)電廠開始運(yùn)行，如圖3所示。

圖 3 顏巴赫不同組分(H2含量)的燃?xì)獍l(fā)電項(xiàng)目 (© INNIO Jenbacher)

盡管效率和其他性能參數(shù)可能會受到影響，但新發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)無不旨在可以使用多種不同類型的燃?xì)狻６嬲奶魬?zhàn)是現(xiàn)有的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)機(jī)群。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)壽命可長達(dá)數(shù)十年，邊界條件所帶來的收益變化可能無法彌補(bǔ)更換全新機(jī)組所需成本。因此，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)廠商必須開發(fā)升級套件以支持現(xiàn)有的發(fā)電廠繼續(xù)運(yùn)行。

氫氣燃燒策略

INNIO 顏巴赫在利用非天然氣方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。其中一些燃?xì)猓ɡ盥駳夂兔旱V瓦斯，都是以甲烷為基礎(chǔ)，其燃燒行為類似于天然氣。另一大類燃?xì)猓鐨饣驘掍撨^程產(chǎn)生的燃?xì)猓且詺錃夂鸵谎趸紴榛A(chǔ)的。在這些燃?xì)獍l(fā)電應(yīng)用中，氫氣含量可高達(dá)70 vol%。 這類燃?xì)獾慕M分在正常運(yùn)行中保持穩(wěn)定，因此發(fā)動機(jī)可以設(shè)計(jì)為使用這些燃?xì)狻?如果預(yù)計(jì)燃?xì)饨M分會發(fā)生很大變化，例如由多種類型氣體復(fù)雜地混合組成，則在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)上需要付出更大的努力，并且必須接受發(fā)動機(jī)在性能上的妥協(xié)。

使用非天然氣的 INNIO 顏巴赫燃?xì)獍l(fā)動機(jī)版本與使用標(biāo)準(zhǔn)天然氣發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)不盡相同。例如，INNIO顏巴赫6系列發(fā)動機(jī)的活塞設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)天然氣機(jī)組的活塞設(shè)計(jì)是平頂或非常淺的碗頂設(shè)計(jì)。燃?xì)忸A(yù)燃室在這里產(chǎn)生渦流以實(shí)現(xiàn)快速燃燒。 但具有高氫氣含量的燃?xì)鉄o法通過預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全地燃燒，這種情況下則應(yīng)采用直接點(diǎn)火系統(tǒng)，由進(jìn)氣渦流和能夠打破渦流的特殊形狀設(shè)計(jì)的活塞共同作用，在氣缸內(nèi)形成預(yù)設(shè)等級的渦流。如圖 4所示。

圖 4 碗狀燃?xì)饣钊纠?(© INNIO Jenbacher)

穩(wěn)定氫氣燃燒的主要驅(qū)動因素是燃燒策略，從混合氣制備、進(jìn)氣運(yùn)動、進(jìn)氣點(diǎn)火到主要燃燒過程本身，以及進(jìn)氣策略。然而，特別是對于具有高氫氣和/或一氧化碳含量的氣體，可以觀察到異常燃燒現(xiàn)象，如圖5所示。循環(huán)開始燃燒加速，隨后轉(zhuǎn)為自燃，但不發(fā)生爆震。 因?yàn)闆]有爆震，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)無法監(jiān)測這些現(xiàn)象，可能造成發(fā)動機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。通過缸內(nèi)壓力控制系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)并監(jiān)控這些燃燒現(xiàn)象，從而能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行發(fā)動機(jī)。

圖 5 燃燒現(xiàn)象：天然氣含爆震循環(huán)(左)和氫氣自燃循環(huán)(右)示意圖(© INNIO Jenbacher)

我們的實(shí)踐之旅

實(shí)踐1

2008年，Hychico建造了一個(gè)風(fēng)電場和一個(gè)利用水電解技術(shù)的綠色制氫廠。位于阿根廷巴塔哥尼亞的試點(diǎn)項(xiàng)目通過6.3MW風(fēng)電場進(jìn)行發(fā)電，平均容量系數(shù)約為50%。一部分來自風(fēng)能的可再生能源被用于一個(gè)電解廠的運(yùn)轉(zhuǎn)，每小時(shí)可生產(chǎn)120Nm3的高純度氫氣和60Nm3的氧氣。Hychico工廠生產(chǎn)的高純度氫氣 (99.998%)將被儲存到地下儲罐中。為了更好地評估大規(guī)模地下儲氫的潛在效益，Hychico 與歐洲 HyUnder組織合作，共同努力為氫氣儲存提供技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會等方面的評估。在研究地下儲氫的同時(shí)，氫氣與天然氣混合燃?xì)庖惨呀?jīng)用于顏巴赫的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)。

顏巴赫J(rèn)420燃?xì)獍l(fā)動機(jī)可以使用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的天然氣與氫氣的混合燃?xì)膺\(yùn)行(氫氣體積比例最高可達(dá)42%)，性能優(yōu)異，排放更低。只有在混合燃?xì)庵械臍錃獗壤龢O高時(shí)，發(fā)動機(jī)的輸出才需要調(diào)整，以保持穩(wěn)定運(yùn)行。能夠使用以任意比例的天然氣/氫氣混合燃?xì)猓@一燃料靈活性使顏巴赫J(rèn)420燃?xì)獍l(fā)動機(jī)成為將儲存氫氣轉(zhuǎn)化為電力的理想技術(shù)。自2008年在Hychico工廠投入運(yùn)行至今，這臺久經(jīng)考驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)高效的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的運(yùn)行時(shí)間已超過70,000小時(shí)。

實(shí)踐2

2020年，在INNIO 和 HanseWerke Natur 合作，打造了一個(gè)氫氣利用旗艦示范項(xiàng)目，1 MW 的 J416 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)能夠使用可變比例的氫氣/天然氣混合氣體，或者使用 100% 氫氣。該項(xiàng)目位于德國漢堡Othmarschen地區(qū)，升級后的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)能源站已開始進(jìn)行現(xiàn)場測試，這個(gè)INNIO顏巴赫1兆瓦的試點(diǎn)能源站是世界上第一個(gè)兆瓦級的大型燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)。完成升級后的熱電聯(lián)產(chǎn)能源站將為30棟住宅樓、一個(gè)體育中心、一個(gè)托兒所和Othmarschen公園休閑綜合體供能，每年可以為當(dāng)?shù)靥峁┫喈?dāng)于13,000MWh的熱能。產(chǎn)生的電能則被輸送到Othmarschen多層停車場的電動汽車充電樁及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。

實(shí)踐3

作為屢獲殊榮的歐盟HyMethShip項(xiàng)目的一部分，2020年，INNIO顏巴赫與位于奧地利格拉茨的大型發(fā)動機(jī)技術(shù)中心 (LEC)，展開氫能利用的合作研究，進(jìn)一步探索可持續(xù)、高度靈活且二氧化碳零排放的發(fā)電應(yīng)用。項(xiàng)目采用了第一臺使用100% 氫氣的2MW發(fā)動機(jī)，除了氫氣，項(xiàng)目也在驗(yàn)證以100% 使用來自可再生能源的氫載體氣體甲醇為燃料。

在驗(yàn)證直接發(fā)動機(jī)技術(shù)的同時(shí)，INNIO 和 LEC 還合作研究新的傳感器技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理，這兩者都是可持續(xù)性方面不可或缺的組成部分。 如今，全球安裝的顏巴赫燃?xì)獍l(fā)動機(jī)中有 60% 通過 INNIO 的 myPlant 軟件進(jìn)行在線監(jiān)控。 INNIO也因此成為數(shù)字化熱電聯(lián)供的先驅(qū)。憑借其數(shù)字化戰(zhàn)略和新的COMET模塊“LEC HybTec”，LEC 在融合物理和數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真模型方面樹立了新標(biāo)準(zhǔn)。 這促使了全新的人工智能方法和學(xué)習(xí)方法的發(fā)展，這些方法提高了可持續(xù)大型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的研究和開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

脫碳能源供應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵要素是有效儲存可再生能源。 有效的短期和長期存儲解決方案至關(guān)重要。根據(jù)目前的發(fā)展?fàn)顩r，最具前景的解決方案之一是氫基儲存，可以直接使用氫氣(在洞穴或管道壓力下)或使用合成生產(chǎn)的碳?xì)浠衔铮缂淄榛蚣状肌?在可再生能源(風(fēng)能和光伏)供應(yīng)不足時(shí)，這些氫基燃料可以轉(zhuǎn)換回?zé)崮芎碗娏Α榱四軌虬踩酶鞣N氫氣濃度，尤其是在使用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，INNIO 將繼續(xù)加大研發(fā)領(lǐng)域的投入。 這些措施旨在通過種類廣泛的各種燃?xì)?如高達(dá) 100% 的氫氣)實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，以幫助建立 100%的碳中性和無碳發(fā)電廠。

參考文獻(xiàn)

【1】Laiminger, s.: Hydrogen as future fuel for gas Engines. 29 th CIMaC Congress, Vancouver, 2019

原文作者

Stephan Laiminger, 首席技術(shù)專家, Jenbacher GmbH & Co OG.

Michael Url, 高級工程師, Jenbacher GmbH & Co OG.

Klaus Payrhuber, 產(chǎn)品經(jīng)理, Jenbacher GmbH & Co OG.

Martin Schneider 高級產(chǎn)品經(jīng)理, Jenbacher GmbH & Co OG.

中文譯者

孫延嘉 顏巴赫(中國)

王松 顏巴赫(中國)

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