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中国航发燃机:深度脱碳技术路线
加入时间:2021-11-13    来源:中国能源网

  译者案:
  
  据统计,全球约40%的燃料燃烧产生的二氧化碳排放来源于电力和热力等行业,大量温室气体的排放所引发的全球气候变化问题已经对地球的可持续发展带来了严峻的挑战。因此,脱碳发电成为解决气候挑战的关键重点领域,全球的能源转型是也是必然趋势。我国向世界作出了“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的郑重承诺”.为全球应对气候变化,实现绿色复苏注入了强劲的动力。为更好地响应国家“双碳”战略,中国航发燃机研究世界各国脱碳技术路线,并编译了本文,以期引发行业内更多有益的思考。
  
  全世界为应对气候变暖
  
  对于电力行业工作的人来说,挑战并不像仅仅提供低碳电力那么简单。在全球电力需求不断增长的背景下,我们需要解决提供更可靠、更经济、更可持续的电力的能源三重困境。这就是为什么我认为可再生能源和天然气发电将共同在未来能源领域发挥关键作用,包括在海湾合作委员会(GCC)成员国——巴林、科威特、阿曼、卡塔尔、沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国(阿联酋)。
  
  通用电气的白皮书中描述了GCC电力部门加快脱碳的相关途径。没有一次性解决方案,我们认识到多种技术和燃料来源——包括太阳能、风能、水力、天然气、核能、电池储能、混合动力等等这些将有助于该地区的长期能源组合。然而,在海湾合作委员会中加速和战略性的部署可再生能源和天然气发电可以迅速大幅减少排放,同时在未来继续推进低碳或近零碳发电技术。
  
  海湾合作委员会电力部门的脱碳当务之急
  
  2018年,能源部门占海湾合作委员会总温室气体(GHG)排放量的80%以上,其中高达44%的排放源于发电和供热。2019年,通过液体燃料和燃气发电站的火力发电量占装机发电量的98.7%,其中三分之一以上为液体燃料。
  
  尽管海湾合作委员会成员国已明确承诺解决气候变化问题,并正在采取措施减少各部门的碳排放,但进一步加快电力脱碳工作可能会带来重大的、快速的胜利。这可以通过利用该地区巨大的可再生能源潜力极其丰富的天然气储量来实现脱碳,同时不再使用高碳密度的液体燃料。例如,在阿曼,一个即将实施的项目将使用通用电气的TM2500气动式燃气轮机产生高达80兆瓦(MW)的电力,预计将通过使用天然气而不是柴油,帮助每年减少高达90000吨的二氧化碳排放。
  
  为什么现在使用可再生能源和天然气发电
  
  可再生能源从海湾合作委员会的一个小基地迅速增长,2015-2020年,装机容量以69%的复合年增长率(CAGR)增长,2020年达到2.4GW。这是由各种因素推动的,包括可再生能源解决方案对电网规模项目的适用性、成本下降(特别是太阳能光伏技术的下降),以及技术进步,这些进步导致了更高效、更可靠的可再生能源解决方案,以应对海湾合作委员会(GCC)等炎热和恶劣的环境条件。
  
  然而,可再生能源的增长也有其自身的一系列挑战,尤其是随着越来越多的可变电源上线,在维持电网稳定方面。公用事业公司和运营商一直在评估电池储能系统,以支持可再生能源,但在持续时间超过8小时的情况下,电池储能系统在平准化的基础上不会具有竞争力,除非出现重大技术突破,从而降低成本。因此,天然气是一个很好的补充,通过提供按需、灵活的基本负荷电力,实现可再生能源的增长。
  
  天然气提供可靠、可调度的容量,无论何时、季节或天气如何。燃气轮机提供的快速爬坡率意味着燃气发电量可以根据可再生能源供应的波动迅速增加或减少,以帮助平衡电力需求和供应,并保持电网稳定。在化石燃料发电厂中,以天然气为燃料的联合循环发电厂的二氧化碳排放量最低,能够达到307-395克二氧化碳/千瓦时(gCO2/kWh)的排放强度,而液体燃料发电厂的排放强度为547-935gCO2/kWh。燃气发电技术的效率也越来越高,通用电气的HA技术目前的净联合循环效率超过64%。此外,通过最近发现的天然气储量、新的天然气管道以及液化天然气的进步,天然气的供应量有所增加,所有这些都使天然气越来越容易获得,价格也越来越便宜。
  
  天然气发电提供了其他好处,使其成为可再生能源的良好补充。通常,太阳能和风能的发电密度低于火力发电资源,每单位装机容量需要更多的土地。例如,1000兆瓦的天然气联合循环发电厂可能需要13英亩的土地,而太阳能发电厂可能需要5000到6000英亩的土地。如果大片土地不容易获得,或者距离需求中心很远,需要在输电基础设施上增加支出,那么天然气可能是能源组合的关键部分。
  
  此外,可再生能源和天然气发电都可以快速部署。额定功率为34MW的拖车式空气衍生燃气发电厂可在数周至数月内部署。在发出开工通知后6-12个月,简单循环燃气发电厂可投入商业运行。额定功率为1000MW或以上的联合循环发电厂通常需要24-36个月才能投入商业运行。风能和太阳能也可以快速部署,通常在接到开工通知后6-12个月内即可发电。从液体燃料转向可再生能源和天然气的组合,而不是单独使用,或转向其他具有较长酝酿期项目的能源,这为进一步减排提供了一个直接机会,同时确保了稳定的产能。
  
  回顾GCC对现有天然气发电厂的重大投资也是相关的,这些发电厂的寿命通常为20-40年。在短期至中期内,有可能提高许多此类设施的性能并降低其碳强度。例如,可以部署升级解决方案来提高燃气轮机的产量、效率、灵活性、寿命和可用性,同时降低燃料消耗和环境影响。在卡塔尔,在四台9F燃气轮机上使用通用电气的先进气体通道(AGP)升级解决方案,预计将有助于提高发电量96.7兆瓦,同时提高工厂效率,并将同等发电量下的二氧化碳排放量每年减少67000吨,相当于在该国道路上行驶14000辆汽车。简单循环发电厂也可以在16个月的时间内转换为联合循环,使用相同数量的燃料发电量最多可多发电50%。GE估计,发电容量高达57GW的天然气发电厂目前仍在GCC的简单循环模式下配置。将其转换为联合循环配置可以显著降低每兆瓦时发电的二氧化碳排放量。
  
  从长远来看,重要的是要认识到,今天花在燃气轮机技术上的一美元不一定等于花在资产寿命期碳足迹上的一美元。氢基发电和碳捕获与碳封存(CCS)解决方案的发展意味着燃气轮机可以成为目标技术,而不仅仅是桥梁技术。
  
  海湾合作委员会已经开始大量投资于氢气生产,并拥有从长远来看更具成本效益的生产蓝色和绿色氢气所需的许多成分,包括大量碳氢化合物储量、用于安全储存二氧化碳的枯竭油气藏、获取海水以及巨大的可再生能源潜力。随着氢的可用性越来越高,它既可以与天然气混合使用,也可以在改造的基础上单独用于为新发电厂或现有设施提供燃料,而燃气轮机和电厂辅助设备的变化相对较小。CCS项目也已在阿联酋和沙特阿拉伯投入运营,并可能在该地区更受欢迎,以对各个部门进行脱碳,特别是在GCC广泛存在的能源密集型行业,如冶炼厂、石化和其他工业部门。
  
  发电
  
  需要注意的是,GCC电力部门的脱碳将需要发电部门以外的干预。随着越来越多的可变电源上线,需要加强电网输电和配电系统,并引入新的数字解决方案,以提高连接性、可视性、可靠性和灵活性。
  
  需要采取行动鼓励行为改变以减少能源需求,以补充海湾合作委员会各国政府在这方面已经开始采取的努力。海湾合作委员会国家是世界上人均用电量最高的国家之一,预计到2030年,峰值电力需求将以7.5%的复合年增长率增长至250GW以上,因此提高能源效率和降低电力消耗的任务和机制将是解决方案组合的重要组成部分。
  
  继续获得适当的融资也是帮助海湾合作委员会国家实现其雄心勃勃的电力脱碳目标的关键。鉴于石油和天然气价格的波动、电力需求的持续增长以及新冠疫情给公共部门预算带来的额外负担,该地区将需要超越传统的政府资助项目,转向涉及多方的更具创新性的模式。
(责任编辑:马妍)
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