Газовые турбины играют важную роль в достижении энергетической трансформации и чистого нулевого уровня выбросов в будущих энергетических системах. При использовании водородного топлива выбросы углекислого газа в газовых турбинах равны нулю, а также обеспечивают стабильность сети и поддержку спроса на прерывистые возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия. Производители газовых турбин стремятся к 2030 году разработать самые передовые технологии, способные работать на 100% водорода. Однако до сих пор существуют пробелы в понимании экономических и политических условий, при которых технология может выйти на рынок.

Компания Huatian Aviation Power нацелена на глобальное направление развития водородной энергетики, провела углубленное исследование технического развития и практического применения водородных газовых турбин и скомпилировала эту статью, чтобы обеспечить надежную техническую поддержку и практический опыт развертывания водородной энергии в централизованном производстве электроэнергии газовыми турбинами.

Водород является ключевым компонентом перехода к углеродной нейтральности

В июле 2020 года Европейская комиссия опубликовала « Европейскую климатически нейтральную водородную энергетическую стратегию», в которой подчеркивается конкретная и важная роль водорода в поддержке цели ЕС по чистым нулевым выбросам углерода к 2050 году. Благодаря этой стратегии водородная энергия стала ключевой опорой для поддержки европейского « зеленого соглашения» и постепенного перехода к углеродно - нейтральной энергии, которая может способствовать глубокой декарбонизации в таких областях, как промышленность, транспорт, тепловая энергия и производство электроэнергии.

Безопасная, стабильная и обезуглероживающая выработка электроэнергии с помощью газовых турбин и топливных элементов также будет играть определенную роль в применении водородных энергетических терминалов. В докладе Международного энергетического агентства о чистых нулевых выбросах за 2050 год прогнозируется, что к 2050 году 17% мирового водорода в конечном итоге будет использовано в электроэнергетике. Годовое производство водорода в 2050 годуДля 8,8 × 10⁷Тонны эквивалентны общему ежегодному производству водорода в современном мире. Действительно, в разработанном ЕС сценарии чистых нулевых выбросов до 2050 года использование водорода в электроэнергетике признается наравне с транспортными, промышленными и бытовыми приложениями. Кроме того, будущая роль водорода в производстве электроэнергии по всей Европе изложена в последнем докладе проекта « Европейская водородная магистральная трубопроводная сеть», подготовленном десятью ведущими европейскими компаниями по транспортировке природного газа и двумя отраслевыми ассоциациями по возобновляемым источникам природного газа. Ожидается, что к 2050 году для выработки электроэнергии на водороде в Европе потребуется 626 ТВт - ч водорода, что намного выше, чем в 2030 году, когда будет 12 ТВт - ч, что приведет к огромному спросу на водород для создания водородной экономики. К 2050 году это будет эквивалентно 7% производства электроэнергии в Европе, а производство водорода будет составлять 17% от общего производства электроэнергии в Польше, 15% в Ирландии и Италии и 14% в Германии.

Газовые турбины, в том числе комбинированный цикл (CCGT) и открытый цикл (OCGT), уже играют ключевую роль в декарбонизации энергетического перехода в Европе, осуществляя переход на уголь. Газовая генерация заменила почти 50% снижения выработки электроэнергии при сжигании угля в 2019 году, что привело к значительному сокращению CO2, в то время как газовая генерация обеспечивает безопасность энергоснабжения по мере дальнейшего увеличения установленной мощности возобновляемых источников энергии (ветроэнергетика / солнечная энергия / гидроэнергетика). Помимо производства электроэнергии, декарбонизированные газовые турбины могут также генерировать полезное тепло в комбинированном производстве тепла и электричества (CHP) или при использовании отработанного тепла, усиливая связь между промышленностью и региональным отоплением и одновременно повышая общую энергоэффективность. С увеличением установленной мощности возобновляемых источников энергии газовые турбины используются для удовлетворения пиковых потребностей в электроэнергии в периоды низкой доступности возобновляемых источников энергии. Таким образом, зеленый водород может служить средством долгосрочного хранения возобновляемых источников энергии, а водородные газовые турбины работают вместе с другими возобновляемыми источниками энергии, чтобы заполнить дефицит спроса на электроэнергию. Если водород производится с использованием биогаза и УХУ, то есть реальная возможность эксплуатировать водородные газовые турбины с чистым отрицательным выбросом углерода. Поэтому для того, чтобы ЕС достиг нулевого уровня выбросов углерода к 2050 году, необходимо проанализировать потенциальные затраты и осуществимость декарбонизации газовых турбин с использованием водорода.

Интенсивность углерода в комбинированном цикле газовых турбин с водородным газом и годовая экономия налогов на углерод

(Предположим, что цена на углерод составляет 50 евро за тонну и 6000 часов работы в год)

Сценарий и цель исследования

Учитывая широкий спектр уровней мощности газовых турбин (от kWe до MWe), конфигураций (OCGT, CCGT и CHP) и приложений (базовые нагрузки, пики, механические приводы), необходимо сосредоточить анализ на выбранных сценариях, которые повлияют на текущую, ближайшую и будущую работу водородных газовых турбин. В таблице 1 представлены отдельные сценарии для этого исследования, каждый из которых также будет учитывать 100% базовых условий природного газа.

Таблица 1Конфигурация водородных газовых турбин, рассмотренная в настоящем исследовании

Цель настоящего технико - экономического исследования заключается в том, чтобы предложить метод измерения стоимости и осуществимости производства электроэнергии с использованием водорода или чистого водорода в газовых турбинах в настоящее время и в будущем. Используя общедоступную информацию о расходах, а также информацию, предоставленную членами ETN, выравнивание стоимости электроэнергии (LCOE) для каждого сценария позволяет определить ключевые механизмы для достижения нулевой углеродной работы газовых турбин. Результаты исследования позволят политикам, производителям и пользователям газовых турбин, а также цепочкам создания стоимости водорода, потребителям электроэнергии, инвесторам и общественности понять ключевую роль, которую могут играть декарбонизированные газовые турбины в энергетическом переходе, и предоставить ЕС гибкую, безопасную и чистую энергетическую систему с нулевым уровнем выбросов.

III. Результаты исследования

Данное технико - экономическое исследование решает экономические проблемы, ограничивающие выход технологии на рынок, путем детального анализа затрат на использование водорода в регулируемых термоэлектрических приложениях. Учитывая существующую базу установленных газовых турбин в ЕС, основное внимание уделяется потенциалу преобразования этих активов для замены углеводородов водородом.

Анализ пришел к выводу, что для высокоэффективного цикла водородной газовой турбины (например, CCGT) выравнивание затрат на электроэнергию (LCOE), как ожидается, увеличится по меньшей мере на 60%, главным образом из - за цен на водород, которые могут составлять более 80% от LCOE водородной газовой турбины. Для неэффективного газотурбинного цикла (например, пикового OCGT) водородная смесь между 30% и 70% может быть экономически неконкурентоспособной по сравнению с чистым природным газом, поскольку операторы должны платить за дополнительные затраты на адаптацию и водород, а также за выбросы углерода. Что касается стоимости углерода, то нынешние затраты слишком низки, чтобы гарантировать переход топлива с природного газа на водород. безубыточная углеродная себестоимость водородных газовых турбин (по сравнению с эквивалентным природным газом) составляет от 150 евро до 225 евро за тонну. Это примерно в два - три раза больше, чем текущая цена системы торговли выбросами ЕС (ETS), но стоит отметить, что в 2021 году она выросла более чем в два раза по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Чтобы сделать возможной будущую разработку и внедрение водородных газовых турбин в Европе, в исследовании определены шесть ключевых областей поддержки политики, исследований и разработок и демонстраций. Эти приоритетные области включают снижение затрат на водород, увеличение затрат на углерод, развитие водородной энергетической инфраструктуры, связи в области водородной энергии, исследования и разработки технологий сжигания водорода и передачу знаний о водороде.