能源、电力

了解氢的重要性

看看氢,从生成到与天然气混合

天然气技术 2020年9月24日
Courtesy: Gas Technology Institute

天然气是一种重要的能源。它为家庭和企业提供了即时和高效的热量,同时为整个美国的发电和工业发展提供了一种手段。天然气行业面临的最重要的挑战之一是脱碳。随着加利福尼亚州和夏威夷州法案的通过,要求到2045年实现100%无碳电力,马萨诸塞州、新泽西州、纽约州和华盛顿特区也在考虑类似的立法,该行业面临的脱碳压力从未如此之大。

这篇文章考察了几个主要的报告和研究集中在氢。参考文献描述了氢气是如何产生的,它与天然气的互换性,以及它如何与天然气混合。此外,还讨论了氢气的性质,氢气如何影响住宅和工业设备,以及在管道中混合氢气如何影响温室气体(GHG)排放及其成本。文章还报道了天然气技术研究所(GTI)和电力研究所(EPRI)最近的合作关系。

氢代

电制气、电解、甲烷热解、蒸汽甲烷重整(SMR)和生物法是常见的制氢方法。电转气是将电能以氢气和/或甲烷的形式转化为化学能。这一过程通常使用可再生能源供电的电解水来分解水分子,产生氢和氧。大约需要2加仑的水来生产足够一个家庭使用的氢气。比一个马桶冲水还少加州大学欧文分校的Jack Brouwer计算出,通过引水渠输送到洛杉矶的2%的水将产生足够的氢来为加州的每辆车提供燃料。

在电解过程中,电解器可以成为电转气战略的核心组成部分,因为它可以通过电解水分子将电能转化为包含在氢中的化学能。碱性、质子交换膜和固体氧化物电解槽是三大主导技术。

甲烷热解将天然气转化为氢和固体碳。没有公司2生产或发布。这种固体碳可以让轮胎变黑,也可以应用于电子产品、建筑材料或道路填充物。任何能将碳排除在空气之外的东西都意味着氢气的零碳排放。

最常见的过程是蒸汽甲烷重整,在蒸汽和催化剂的存在下,天然气转化为氢气和二氧化碳。世界上超过95%的氢气是通过SMR工艺生产的。在这个反应中,天然气与蒸汽在高温下反应生成一氧化碳和氢气。随后的一个反应——水气转换反应——然后将更多的蒸汽与一氧化碳反应,产生更多的氢气和二氧化碳。

另一个过程是气化,将生物质、煤、天然气或石蜡转化为合成气。这种气体主要由氢气和一氧化碳组成,但也可能含有少量的甲烷、乙烷、丙烷、灰烬和焦油。“井内气化”将井内的石油和天然气(可能是一口废弃的老井,不会再生产出很多东西,但仍含有碳氢化合物)转化为氢气和CO2。氢气会浮到顶部进行提取;的有限公司2呆在井里。同样,从化石燃料中产生零碳氢。

虽然商业化和市场可行性的道路比前面提到的道路要长得多,但生产氢的生物过程确实存在。细菌和微藻可以利用阳光或有机物作为原料,通过生物反应产生氢气。这些技术途径尚处于研究的早期阶段,但从长远来看,它们有潜力实现可持续的低碳氢生产。

氢与天然气的互换性

在现有的天然气管网中加入氢气被认为是增加可再生能源系统产量的一种方法。如果采用相对较低的浓度——按体积计算可达5%的氢——将可再生能源储存和输送到市场上似乎是可行的,而且不会显著增加在终端设备中使用混合气体、整体公共安全或现有天然气管道网络的耐久性和完整性所带来的风险。然而,适当的混合浓度应根据具体情况进行评估。

在整个北美天然气分配系统中混合氢气和天然气的后果对于维护一个安全可靠的网络非常重要。GTI正在研究氢混合物对这一设备和终端使用设备的影响。这项工作评估了与天然气中加入氢有关的腐蚀和氢脆机制。

GTI已完成氢气混合研究,以获得天然气运营商的联盟以及美国国家可再生能源实验室。这些项目集中在氢气混合的生命周期评估以及安全性,泄漏,耐用性,完整性,最终使用和环境影响。在本研究之后,GTI对氢气混合在天然气中对非金属材料特性的影响进行了评价,通过实验室检测进行操作安全性(参见图1)。这项工作评估了有界天然气管道系统及其组件的材料完整性和操作兼容性,其中5%的氢共混燃料,以帮助确定是否有必要降低风险和支持气体互换性。对未校准设备的影响水平需要进一步调查,并且可以通过在任何氢共混程序之前通过升级或重新校准来通知和潜在地通过升级或重新校准来通知和互联的设备。具有对不同氢浓度敏感的操作特性的设备将需要逐壳的额外研究,因为许多这些燃烧系统可能对气体特性的小变化敏感。在考虑含有大于5%氢的共混物时,还确定了未来的研究需求。

图1:材料测试实验室测试复制聚乙烯管。Courtesy: Gas Technology Institute

图1:材料测试实验室测试复制聚乙烯管。Courtesy: Gas Technology Institute

考虑互换性时最常用的指标是沃伯数。沃伯数是通过将燃烧器孔面积上的燃气热值规格化来解释燃气热值变化的。燃料气体的沃伯数定义为热值除以比重的平方根。许多气体规格使用沃伯数作为关键参数。作为确定互换性的指标,沃伯数被认为优于热值,但单个数不足以评估互换性,因为它不能解决诸如火焰速度、升力或可能导致不完全燃烧的特性等属性。

氢的性质

根据氢和甲烷燃烧的差异,最重要的燃烧特性是热值、沃伯数、可燃性范围和火焰速度。氢的热值在体积上是天然气的三分之一,这主要是由于它的相对密度低。然而,在燃烧方面,沃伯数提供了最适当的指示气体互换性。氢和甲烷的沃伯数比体积热值更接近。对于大多数设备来说,在混合浸渍的沃伯数吹出可接受的极限之前,混合可以在15%的范围内。氢的可燃范围按体积计算为4% ~ 75%。甲烷的可燃性范围按体积计算为4.4%至17%。这可以用甲烷-氢混合物来计算(见图2)。然而,氢的可燃性比甲烷高,这可能是一个安全问题。但它的扩散率也高得多,这意味着氢会很快被蒸发掉。

当混合时,氢气即使少量空气也会易燃。由于空气中的氧气和反应的简单性和化学性质,氢气的氢气与空气的体积比以低至4%的火点。然而,氢气对反应性或毒性的先天危害没有评级。氢气的储存和使用由于其轻松作为气态燃料,低能量点火,广泛的可燃燃料 - 空气混合物,浮力及其脆性必须考虑的金属的能力而造成独特的挑战。液体氢由于其密度增加,并且使其以液体形式保持极低的温度而造成额外的挑战。

氢如何影响工业设备

最终使用设备燃烧天然气可分为三大类:

  • 住宅和商业设备
  • 工业燃烧器设备
  • 固定式发动机和涡轮机。

住宅和商用电器。家用电器和商用电器作为燃烧设备的一类,其设计基本不受消费者的监控。它们由许多公司制造,燃烧器配置不同,使用寿命长。这意味着电器燃烧器有可能会走调。当气体成分改变时,走调的器具是最关心的。较旧的热水器和火炉在超出制造商规格的情况下运行的风险更高。通过添加氢气来改变天然气有可能降低火焰温度,降低传热速率和增加CO排放。SoCalGas正与加州大学欧文分校(University of California, Irvine)合作,探索改造家用电器以获得更高混合氢的可行性和成本。如果像燃烧器孔这样的廉价部件可以被替换,那么就可以很容易地实现更高的氢混合。

工业燃烧器。与住宅用具燃烧器不同,工业燃烧器覆盖着广泛的燃烧范围,更广泛的射击率。在工业应用中有很多机会。这些是难以或不可能通电的过程。氢气可能是脱碳它们的好方法。工业设备通常被参加并由控制系统管理。为家电燃烧器开发的指数并不适用于工业燃烧器。相反,已经开发了方法来确定最敏感的工业燃烧器,并根据燃料气体组合物的变化来进行这些燃烧器的所需调整。根据“文献综述:氢气对最终用途设备,基础设施和安全”发表的氢气影响,可以使用两种方法来表征工业燃烧器。首先,燃烧器操作模式表征燃烧器通过燃料型,氧化剂型,涂料型,混合型,加热型和对照型。这种分类方法提供了识别对燃料气体组成最敏感的燃烧器的指导。 The addition of hydrogen will lower heating value and Wobbe Number. However, these effects could be overcome by making an airflow adjustment or using a different burner nozzle.

动力涡轮机和大型固定发动机。涡轮机在最高的实际温度下运行,以实现最大可能的效率。根据GTI的报告,这些单元对材料降解和热损伤很敏感。当更换燃料气体时进行调整,以防止材料和热伤害。这些调整通常是在天然气供应变化时进行的。氢对涡轮来说尤其成问题,因为火焰速度和火焰长度随着氢的加入而改变。氢也能在高温下攻击金属叶片。涡轮操作人员通常指定燃料气体中的低氢限制,以保护他们的设备。根据GTI的审查,氢的添加需要研究氢的影响和氢对涡轮机的浓度。然而,制造商现在正在建造可以处理混合氢的涡轮机(见“LADWP着手氢发电项目”)。

固定式发动机对燃料气体变化也敏感。然而,它们的操作条件比该涡轮机的条件更严重。这使得大型发动机更容许燃料气体变化。添加氢气可以影响发动机性能。当氢气加入燃料气体时,必须通知发动机运营商,因此可以改变调整。

将氢气和天然气混合在一起确实会对工业设备产生影响,但研究还没有定论。这取决于氢的量和混合物的含量。

图2:氢气的可燃范围(4% ~ 75%)远远大于甲烷(4.4% ~ 17%)。这可以用图中所示的甲烷-氢混合物来计算。Courtesy: Gas Technology Institute

图2:氢气的可燃范围(4% ~ 75%)远远大于甲烷(4.4% ~ 17%)。这可以用图中所示的甲烷-氢混合物来计算。Courtesy: Gas Technology Institute

管道中的氢气将氢混合如何影响排放量

将氢气混合到天然气供应中的温室效应取决于混合策略中使用的氢气的来源。收益的数量可以通过以CO克为单位的碳强度来量化2每百万焦耳势能释放的能量。每个独特的碳源都有一个独特的碳强度值。根据GTI的报告,氢燃料的碳强度可以与天然气燃料的碳强度在加权平均的基础上结合。

2019年5月,能源未来倡议(EFI)发布了一份题为“加州深度脱碳路径”的报告,该报告定义了加州现有的清洁能源格局,并建议加快这一行动的步骤,以在本世纪中叶实现该州的碳减排目标。根据EFI的报告,通过燃料转换,工业部门有几个减少温室气体排放的机会:从化石燃料转换为电气化或氢气,用天然气或可再生天然气(RNG)替代煤炭,用天然气或RNG替代石油。

在电气化和能源效率无法带来可测量的减排的情况下,氢可以提供清洁燃烧的替代品。根据EFI的报告,某些过程需要基于燃烧的热量,因为燃料满足特定的加热需求,并提供了对过程化学过程重要的成分。在工业最终用途系统允许的情况下,可以将氢气与天然气混合,以减少甲烷的排放强度。

成本

一份来自氢委员会的报告显示,氢解决方案的成本将在未来10年内大幅下降,比之前预期的要快。根据氢理事会的报告,随着氢生产、分销、设备和零部件制造的规模不断扩大,预计到2030年,氢的广泛应用成本将下降50%,使氢与其他低碳替代品,甚至在某些情况下,传统选择竞争。

在不同的氢应用中,成本有望显著降低。报告称,对于长途和重型运输、工业供暖和重工业原料等20多个能源消耗总量约占全球能源消耗的15%的企业来说,氢路线似乎是脱碳的选择。

报告将这一趋势归因于对三个主要成本动因的积极影响:

  • 生产低碳和可再生氢的成本大幅下降
  • 较低的分配和加油成本得益于更高的负荷利用率和基础设施利用率的规模效应
  • 随着制造规模的扩大,最终用途设备的组件成本大幅下降。

由于氢气的影响和价值作为可再生燃料,它具有零温度足迹(取决于混合策略中使用的氢气的来源),它可以与天然气混合,它可以储存在天然气基础设施中。

扩大氢经济规模的好处不仅在于它的成本竞争力。氢可以支持各国政府的能源安全目标,而且氢的相对丰富为能源供应领域的新参与者创造机会,并为刺激全球经济创造新的就业机会。氢仍然是唯一可行的、可扩展的选择,以脱碳工业和其他部门一直努力减少其环境影响。

EPRI和GTI的伙伴关系

GTI最近与EPRI展开了一项前所未有的合作,GTI称之为“低碳资源倡议(LCRI)”。这是一个由主要电力和天然气公用事业公司支持的为期5年的合作项目,目的是在未来10年内推进深度脱碳所需的技术,以便在2030年至2050年的时间框架内部署这些技术。

GTI和EPRI都认识到,要实现脱碳目标,需要在整个能源价值链上取得突破性的技术,两家组织都看到了整合和利用公用事业行业资源以实现更大利益的机会。这一努力将提高美国能源网络的强度、效率和弹性,并减少对环境的影响。此外,在LCRI下,加速氢的成功将是他们共同工作的一个主要重点。

EPRI提供思想领导、行业专业知识和协作价值,帮助电力部门识别问题、技术差距和更广泛的需求,这些可以通过有效的研究和开发项目来解决,造福社会。GTI是全球领先的研究、开发和培训机构,致力于解决能源和环境挑战,实现安全、丰富和可负担的能源未来。在超过75年的时间里,GTI一直通过为行业、政府和消费者开发基于技术的解决方案,为天然气行业和能源市场提供经济价值。

LADWP开始了制氢项目

美国公共电力协会的一篇文章说,洛杉矶水和电力部(LADWP)正在着手一个开创性的氢发电项目。

文章说,LADWP计划逐步淘汰1800 MW,资金一代在山间电力项目(IPP),它参与电力合作社和其他公共电力公司在加利福尼亚,内华达和犹他州,代之以应用代最终将导致完全由氢。除了发电,IPP还包括两个大型传输系统,将电力输送到整个地区和南加州。

The motivation for the decision for LADWP to shut down the coal facility and replace it with another generation source was the city’s adoption of a target to be powered by 55% renewable energy by 2025 and be powered 80% by renewable energy by 2036. In addition, Los Angeles, like the rest of California, faces a target of being powered 100% by clean energy by 2045.

“如果你看现实,没有氢的混合不可能获得100%的可再生能源;LADWP总经理兼总工程师马蒂·亚当斯(Marty Adams)本月对该公用事业委员会表示。

根据美国公共电力协会的文章,有两个主要因素促使政府决定继续使用化石燃料发电厂。一个是需要有一种发电源,能够将越来越多的可再生能源整合到电网中;另一个是需要“一个可调度的旋转质量”来支持500kv高压直流(HV dc)线路,该线路从电厂运行,并为南加州提供2400兆瓦的容量,LADWP的电力外部能源资源主管Paul Schultz说。

除了IPP发电外,高压直流输电线路还充当着将可再生能源输送到加州负荷中心的管道。它目前连接着大约400兆瓦的风力发电,但在未来它可以作为一个可再生能源中心。已经有2300兆瓦的太阳能互联请求在等待中,LADWP正在与实体讨论从怀俄明州引进多达1500兆瓦的风能。

Intermountain作为可再生能源中心的角色,以及其独特的位置,是将工厂转化为燃烧氢的计划的核心。为工厂提供燃料的氢必须通过电解生产,在电解过程中,水被分离成两种成分,氢和氧。这一过程将由山间运输系统提供的可再生能源提供动力。使用可再生能源运行这一过程有助于减少改造项目的总体排放。它还有助于项目的经济效益,因为可再生能源本来可能会被削减。

燃烧氢气会产生氮氧化物,但不会产生二氧化碳。舒尔茨说,发电机的热回收蒸汽发生器将扩大规模,以增加空气流量,并帮助减少工厂的排放。LADWP还在与几家供应商讨论碳捕获技术。LADWP表示,基于涡轮机制造商的技术,这些发电机在2025年开始运行时,预计将有能力燃烧30%的氢混合燃料。

舒尔茨表示,该项目、发电和高压直流转换器的总成本为19亿美元。氢气转化设备将是一个单独的成本。舒尔茨说,LADWP正在探索“与伙伴合作”项目的这一部分,但尚未准备公开成本估算。他说,一种可能性是通过能源部的拨款获得资金。

Schultz表示,改造发电设备以逐步增加氢燃烧能力将是一项“增加资本成本”,并可与定期涡轮机维护计划相协调。

此外,LADWP还在研究IPP的储氢潜力。该电站位于美国西部唯一的一个大型地质盐丘的顶部。该电站的一个洞穴可以储存相当于一个1200兆瓦时电池系统的84倍的能量,一次可以储存几个月的能量。LADWP称,该地点有可能建造100个洞穴。

将氢储存在山间基地将允许“季节性变化”,这可能提供套利机会,以支付氢生产的成本,即在能源价格较低时制造氢,在价格较高时使用它发电。该公用事业公司还在考虑用这些洞来支持一个160兆瓦的压缩空气储能发电厂。

当前该市,能量转换往返可再生氢过程的效率约为30%到35%,舒尔茨说,但指出计算没有考虑其他因素如政策规定效用必须遵守和其他潜在成本,如强制可再生能源并非潜力。

“我们很高兴有机会在这个项目中担任领导角色,”舒尔茨说。建成后,该项目将成为世界上最大的商业规模的氢气发电厂。

最终的想法

由于脱碳是不可避免的,天然气行业必须重新审视如何在2030年至2050年的时间框架内实现这些目标。电气化和RNG只是部分答案。将氢气加入现有的天然气管网显示出了减少温室气体排放的希望。

氢很容易生成。它与天然气的互换性是可以预见的。它可以与天然气混合,对设备和管道的影响很小,可以显著减少温室气体排放。此外,成本预计将在未来十年下降。

-这篇文章出现在天然气技术补充。

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