سالهاست که گاز طبیعی، بعنوان سوخت فسیلی با آلایندگی کم، مورد استفاده قرار میگیرد. از حدود یک دهه پیش، نقش گاز طبیعی، بیشتر بعنوان واسطه بین منابع سوختهای آلاینده و انرژی های تجدیدپذیر، مورد پذیرش قرار گرفت و توانست، در بسیاری موارد، جای سوختهای نفتی و ذغال سنگ را بگیرد. اما امروزه، با تمرکز دولتها بر توسعه و خرید برق از منابع انرژی تجدیدپذیر، نقش گاز طبیعی از حالت فرصت به یک تهدید تبدیل شده است.
برخی در این میان، الزامات شبکه برق را درک کرده و در توربین گازی نقشی برای آن میبینند. شرکت های سازنده توربین گاز، برای کاهش انتشار کربن در توربوماشینها، بطور جدی روی مخلوط های سوخت گاز طبیعی و هیدروژن کار می کنند. و در حال توسعه توربینهایی هستند که بتوانند با هیدروژن خالص کار کنند. توربین های گازی در حال کار با هیدروژن و یا مخلوطی از گاز طبیعی و هیدروژن میتواند به کاهش آلایندگی کمک کنند.
هیدروژن
در سال 1874 ،ژول ورن پیش بینی کرد که دو ماده سازنده آب، یعنی هیدروژن و اکسیژن، سرانجام بشر را به منبع وصف ناپذیر گرما و نور خواهد رساند. بنظر میرسد که این موضوع، در حال تحقق میباشد.
هیدروژن فراوان ترین عنصر جهان است. در عین سبک بودن، در حالت گازی میتواند در یک مخزن، به راحتی ذخیره شود. قابلیت اشتعال پذیری آسانی دارد و سوزاندن آن، تولید گازهای گلخانه ای نمیکند. آنچه از سوختن آن باقی میماند، فقط آب و گرما است. این خواص بی نظیر، باعث شده که صنعت انرژی و محیط زیست، از هیدروژن بعنوان یک جایگزین سوخت پاک برای تولید برق، استقبال کنند.
ارزش حرارتی هیدروژن، یک سوم ارزش حرارتی متان میباشد. بنابراین در توربین گازی، هیدروزن حدود سه برابر متان، نیاز به جریان سوخت دارد. هیدروژن مولکولی کوچکتر از متان است، بنابراین سیستمهای عایقبندی نشتی برای متان برای هیدروژن مناسب نمی باشد. علاوه براین، سرعت شعله هیدروژن نسبت به سایر هیدروکربن ها 10 برابر است.
هیدروژن به روشهای مختلف بدست میآید، عبور بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن بوسیله حرارت، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابجائی آن در اسیدها توسط فلزات خاص. هیدروژن با روش موسوم به steam reforming ، میتواند از تجزیه گاز طبیعی بدست آید. همچنین، در گاز کوره کک و کوره ذوب آهن وجود دارد و بجای شعله ور کردن گاز غنی از هیدروژن، می توان آنرا، برای تولید برق، به داخل توربین ها فرستاد.
مسیر رو به سمت اقتصاد هیدروژن، ترکیب انرژی تجدیدپذیر با الکترولیز و ذخیره طولانی مدت آن است. به این ترتیب که از انرژی تجدیدپذیر مازاد، میتوان هیدروژن تولید و ذخیره کرد و در مواقع کاهش تولید برق منابع تجدیدپذیر، برای تولید برق در توربینهای گاز استفاده نمود. بدلیل انعطاف پذیری و زمان استارت کوتاه، وجود توربین های گازی در تعادل تولید انرژی تجدیدپذیر بسیار مؤثر است. این توربین ها میتوانند بطور کامل با هیدروژن تولید شده از منابع تجدیدپذیر مازاد، کار کرده و تولید برق نمایند.
هیدروژن سبز در اصل یکی از راه های ذخیره انرژی تجدید پذیر است و با استفاده از شبکه انتقال و توزیع گاز موجود میتواند چالش ذخیره فصلی را حل کند. و این دلیلی بر این است که توربین های گازی باید قادر به کار با هیدروژن باشند تا حلقه مفقود برای ایجاد سیستم انرژی واقعاً سبز و پایدار ایجاد شود.
در طی سالهای 2015 و 2016، آلمان و ایالات متحده درمجموع حدود 5 ترا وات-ساعت ظرفیت انرژی بادی تولید نشده را ثبت کردند. برقی که بدلیل عدم تقاضا، میتوانست تولید شود اما تولید نشد. اگر این ظرفیت انرژی هدر رفته، برای الکترولیز آب مورد استفاده قرار گیرد، میتواند برای تولید هیدروژن، استفاده شود. با تولید انبوه و مطمئن هیدروژن، میتواند از طریق شبکه خطوط لوله، کشتی ها یا کامیون ها به نقاط مورد نیاز مصرف منتقل شود، و یا بصورت مایع در مخازن در مخلوط با آمونیاک و سایر مواد آلی ذخیره گردد.
هیدروژنی که در حال حاضر در توربین های گازی مورد استفاده قرار میگیرد، عمدتا هیدروژن قهوه ای است که از گازهای زاید فرآیندهای صنعتی بدست میآید. استفاده از درصد بالای هیدروژن، بعنوان سوخت، در واقع یک قدم بزرگ برای دفع گازهای آلاینده از تولید انرژی است، زیرا فرآیند احتراق آن، گاز دی اکسیدکربن را منتشر نمیکند. حاصل احتراق، فقط انرژی و آب میباشد. آنچه در بکارگیری سوخت هیدروزن مهم است، توجه به خصوصیات فیزیکی و احتراق آن و تأثیر آن بر سیستم های توربین گاز و عملکرد آن میباشد.
انتشار اکسیدهای نیتروژن یا همان NOx، موضوع متفاوتی است. حدود 78درصد از حجم هوا از نیتروژن تشکیل شده که در دماهای بالا با اکسیزن ترکیب شده و تولید NOx میدهد. دیاکسید نیتروژن از مهمترین آلایندههای هوا به شمار میرود. هر سال میلیونها تن از این گاز در اثر فعالیتهای انسانی به ویژه مصرف سوختهای فسیلی تولید میشود. دیاکسید نیتروژن در ترکیب با هوای مرطوب تولید اسیدنیتریک میکند که به پوسیدگی شدید فلزات منجر میشود.
دمای شعله هیدروزن از دمای شعله گاز طبیعی بالاتر است، لذا میزان انتشار NOx نیز به نسبت بیشتر است. هرچه هیدروژن بیشتر به مخلوط احتراق گاز طبیعی و هیدروژن اضافه شود، NOx افزایش می یابد. در آخرین فناوری توربین گازی، از مشعلهای پیش مخلوط Premix به عنوان پایه ای برای توسعه سیستم های احتراق سوخت های غنی از هیدروژن استفاده میشود. در احتراق Premix، سوخت و هوا قبل از ورود به محفظه احتراق باهم ترکیب میشوند.
بر خلاف مشعلهای premix، در مشعلهای نوع diffusion، سوخت و هوا در محفظه احتراق، باهم مخلوط میشوند. برای کنترل مقادیر NOx، میتوان با اضافه کردن آب، دمای احتراق را کاهش داد. ولی، این کار، منجر به کاهش قابل توجهی در راندمان میشود. مشعلهای premix در مقایسه با نوع Diffusion، افزایش دمای ورودی توربین را باعث میشوند، که راندمان بالاتر و قابلیت اطمینان بهتر را بدنبال خواهد داشت. سیستم احتراق با مشعل premix، در صورت کار با سوخت غنی از هیدروژن، میزان انتشار NOx کمتر از 15ppm دارد.
تحقیقات در استفاده از سوخت هیدروژن در توربین های گازی یک تلاش مداوم است. موانع فنی آن عبارتند از خود اشتعالی در حالت پیش ترکیبی premix و فلاش بک (بازگشت شعله به سمت انژکتورهای سوخت). در جالت premix، وقتی هیدروژن وارد محفظه احتراق میشود با مشکل خود احتراقی مواجه میشود.
احتراق ناشی از افزودن هیدروژن به گاز طبیعی در مخلوطهای بالای 8 درصد هیدروژن، تولید اکسیدهای نیتروژن را افزایش میدهد.
تاریخچه استفاده از هیدروژن در توربینها
در سال 1939، نخستین پرواز با موتور جت توسط هواپیمای تک موتور Heinkel He 178 در روستاک آلمان انجام شد. این هواپیما مجهز به موتور جت He 3SB بود که اختراع دکتر هانس فون اوهین میباشد. این موتور، بر پایه یک موتور جت با سوخت هیدروژن ساخته شده بود که در سال ،1937 در آزمایشگاه، مراحل تست خود را گذرانده بود. مقدار سوخت هیدروژن موجود در آزمایشگاه، توربوجت را تنها بمدت دو تا پنج دقیقه بکار انداخت. هر چند مشخص شد که مشکلی برای احتراق با هیدروژن وجود ندارد، ولی آسیبهای فلزی کاملاً مشهود بود.
در سال 1956، مهندسان Pratt & Whitney Aircraft موتور جتی را طراحی کردند که با هیدروژن مایع ذخیره شده در فشار اتمسفر و دمای منهای 215 درجه سانتیگراد، کار می کرد.
امروزه، شرکتهایی مانند میتسوبیشی، هیتاچی، جنرال الکتریک، زیمنس و آنسالدو برای توسعه توربینهای گازی با سوخت هیدروژن خالص بر تلاش خود سرعت بخشیده اند.
MHPS
پس از وقوع زلزله سال 2011 و سونامی منجر به فاجعه فوکوشیما، همکاری مشترک بین غول های ژاپنی میتسوبیشی و هیتاچی، تحت عنوانMHPS ، در یک تلاش جاه طلبانه، قصد دارند که ژاپن را به “جامعه هیدروژن”، تبدیل کنند. این همکاری، نخست برای کمک به کاهش قیمت هیدروژن و سلولهای سوختی، برنامه فعلی سلول سوختی را ادامه میدهند، و آنرا به زیربنای تولید انرژی هیدروژن در مقیاس بزرگ و زیرساخت های تأمین هیدروژن تبدیل میکنند. و نهایتا، انتشار کربن را در صنایع ایجاد متوقف می کنند. MHPS قصد دارد، تا سال 2050، توربین های گازی با سوخت هیدروژن را بعنوان جنبه اصلی بکارگیری هیدروژن بدون CO2 و با استفاده از انرژی تجدیدپذیر تبدیل کند.
از سال 1970، مجموعه MHPS تعداد 29 واحد توربین گازی را با سوخت محتوی 30 تا 90 درصد هیدروژن راه اندازی کرده است. چالش اساسی، کاهش انتشار NOx در احتراق هیدروژن، بدون کاهش راندمان، است. چالش دیگر، سرعت بالای شعله هیدروژن و نوسانات احتراق مخلوط های هیدروژن درصد بالا و برگشت شعله “فلاش بک است. یک راه حل، میتواند استفاده از سیستم احتراق diffusion بر اساس فناوری DLN باشد که NOx کمتری تولید میکند. در این احتراق با استفاده از بخار یا تزریق آب، NOx کاهش می یابد، در عین حال احتراق پایدار را در شرایط مختلف حفظ میکند. بکمک این فن آوری، در یک نیروگاه 700 مگاواتی در حالت سیکل ترکیبی با دمای ورودی توربین 1600 درجه سانتیگراد، با استفاده از مخلوط 30٪ هیدروژن، میزان انتشار کربن حدود 10٪ در مقایسه با یک سیکل ساده توربین گاز، کاهش می یابد.
این شرکت در حال حاضر دارای فناوری احتراق از نوع Diffusion است که در آن سوخت و هوا به طور جداگانه تأمین می شود. هیدروژن با دمای بالا می سوزد و این، باعث افزایش NOx میشود. راه حل ممکن، خنک کردن شعله با استفاده از رقیق کننده هایی مانند آب یا بخار است.
این یافته ها، منجر به توسعه مشعل Diffusion چندگانه برای محافظت در برابر فلاش بک شده است. هر نازل می تواند هوا و هیدروژن را با هم مخلوط کند. شعله کوچکتر، مخلوط سریعتر و بهتر، دمای احتراق پایین تر و NOx پایینتر خواهد داشت.
با این حال، دستیابی به احتراقی با هیدروژن خالص در یک توربین گازی، تا پیش از سال 2030 بشکل تجاری، پیشبینی نشده است. در حال حاضر، این شرکت با استفاده از فناوری DLN در 1600 درجه سانتیگراد، تستهای خود با 30٪ هیدروژن را به پایان رسانده است که کاهش 10درصدی در انتشار گاز CO2 را نشان میدهد.
جنرال الکتریک
بیش از هفتاد توربین گاز این شرکت، مدتهاست از هیدروژن مخلوط شده با گاز طبیعی، استفاده میکنند. این توربینها، در مجموع، بیش از چهار میلیون ساعت بهره برداری شده اند.
سیستم احتراق DLN 2.6e، توانایی سوزاندن سوخت حاوی حداکثر پنجاه درصد حجمی هیدروژن را دارد. GE فن آوری احتراق را بنحوی توسعه داده است که توربینهای گازی قادر به سوزاندن غلظت های بالای هیدروژن نیز باشند. توربین ساخته شده GE 6B.03 در پالایشگاه های نفتی اسپانیا، هزاران ساعت سوخت مخلوط هیدروژن و گاز طبیعی را استفاده کرده است. همین توربین گاز در پالایشگاه کره جنوبی، سوخت حاوی بیش از هفتاد درصد هیدروژن را مصرف میکند. این توربین حتی رکورد مصرف مخلوط هیدروژن نود درصد را هم ثبت کرده است.
یک مجتمع پتروشیمی در لوئیزیانا، مخلوطی از هیدروژن و گاز طبیعی را به مدت هشت سال، در چهار توربین گازی GE 7F به مصرف رسانده است. این توربین های هیدروژنی میلیون ها دلار در مصرف گاز طبیعی صرفه جویی داشته اند.
استفاده از مخلوط 5٪ هیدروژن با گاز طبیعی در توربین گازی GE 9F، میزان انتشار دی اکسید کربن سالانه را تقریباً 19،000 تن کاهش می دهد. با مخلوط 50 درصدی، کاهش 281.000 تنی و با مخلوط 95 درصد، کاهش یک میلیون تن دی اکسید کربن حاصل میشود.
، سیستم احتراق Premix را که قادر به کار با سوخت های با هیدروژن بالا است مورد توجه قرار داده و سیستم احتراق با نام DLN 2.6e در حال استفاده در توربین های گاز 9HA است. براساس نتایج تستهای اولیه، این سیستم احتراق قادر به کار با مخلوط گاز طبیعی و پنجاه درصد هیدروژن است. همچنین، پکیجهای ارتقا یافته این شرکت برای توربینهای گازی معمولی، فراتر از طراحی اولیه شان، ارائه میشود که آنها را قادر بکار با سوختهای ترکیبی با مخلوط هیدروزن و گاز طبیعی میکند.
زیمنس
تمرکز زیمنس بر کاهش هزینه های بهره برداری توربینهای گازی و فراهم آوردن امکان استفاده از سوختهای حاصل از فرآیندها میباشد. برخی از سوختهای حاصل از فرآیندها، با محتوای هیدروژن زیاد، مانند گازهای حاصل از پالایشگاه یا کک، بدون استفاده سوزانده میشوند و یا با راندمان پائین مورد استفاده قرار می گیرند.
زیمنس در توربینهای گاز هیدروژنی با چالشهایی همچون ورود ایمن سوخت به محفظه احتراق، فلاش بک، پایداری احتراق، قابلیت اطمینان و کنترل آلایندگی مواجه میباشد. اما چالش اصلی عبارت است از کاهش NOx در عین حفظ پایداری احتراق بدون نیاز به روشهای خنک کننده. زیمنس برای سوختهای با درصد هیدروژن بالا بجای سیستم های احتراق Diffusion از احتراق (DLN (Dry Low NOx بهره میبرد.
بر اساس تحقیقات زیمنس، در نسبتهای مخلوط پائین هیدروژن (تا 20٪ حجمی)، هیچ تغییری در سیستم سوخت یا احتراق توربین گازی لازم نیست. در نسبتهای بالاتر، انتخاب مواد و اندازه سیستم سوخت باید مورد توجه قرار گیرد و در طراحی و عملکرد سیستم احتراق باید دقت شود تا از برگشت شعله جلوگیری بعمل آید. این شرکت برای اطمینان از عملکرد ایمن با هیدروژن، اجزای چاپی سه بعدی را در طراحی انژکتور سوخت بکار میبرد.
زیمنس قابلیت استفاده از هیدروژن را در سطوح مختلف از 4 مگاوات تا 567 مگاوات، فراهم کرده و اخیراً پیشرفت در افزایش قابلیت های هیدروژن سیستم های احتراق DLE در توربینهایSGT-600 ، SGT-700 و SGT-800 در بازه 24 مگاوات تا 57 مگاوات، با مخلوط 60 درصد هیدروژن و گاز طبیعی با میزان انتشار NOx حداقل 25 ppm عملیاتی نموده است.
زیمنس در حال کار بر روی پروژه ای هست که مشعلها را قادر به احتراق با هیدروژن خالص نماید. در کارخانجات زیمنس واقع در فینسپونگ سوئد، بیش از ده سال است که در حال استفاده از سوخت هیدروژن در توربین های گازی است و با موفقیت درصد هیدروژن در مخلوط سوختی را افزایش داده است. هدف نهایی این است که بتواند تا سال 2030 به قابلیت کار توربین با 100 درصد هیدروژن سبز برسد.
زیمنس از مشعل های DLN استفاده میکند، بنابراین، برای محافظت از مشعل، باید سرعت سوخت و مخلوط هوا در بالادست در مشعل بیشتر از سرعت شعله هیدروژن باشد. کلید حل محدودیت افزایش نسبت هیدروژن در مخلوط سوخت، در طراحی مشعل نهفته است و باید تزریق سوخت بر این اساس تنظیم شود. زیمنس برای این منظور اقدام به تولید مواد افزودنی یا استفاده از چاپ سه بعدی کرده است. این فن آوری امکان تنظیم طرح داخل مشعل را بدون تغییر قسمت بیرونی فراهم میسازد که باعث میشود بتوان توربین های در حال بهره برداری را هم اصلاح و ارتقای طراحی سیستم مشعل را بطور چشمگیری سرعت بخشد. و به تدریج توانایی استفاده از هیدروژن در توربین های گازی موجود را، تا 20درصد حجمی، تا 2020 و با سوخت هیدروزن خالص، تا سال 2030 ارتقا دهد. لذا میتوان گفت تا سال 2030، توربین های گازی زیمنس جدید و یا آنها که پیش از این مورد بهره برداری قرار گرفته اند قادر خواهند بود به طور کامل با سوخت هیدروزن کار کنند. زیمنس در مدیریت این چالش ها از مزیت هایی برخوردار است، چرا که صاحب نوعی فناوری است که در دماهای پایین تر کار میکند و برای به حداقل رساندن تولید نامطلوب اکسیدهای ازت ، NOx اهمیت دارد.
در سال 2017، تعداد 30 مشعل توربین گازی SGT-800 با مقادیر کم هیدروژن آزمایش شد و سال بعد SGT-600 با 18 مشعل مورد آزمایش قرار گرفت.
برای انجام این تستها به مقادیر زیادی گاز هیدروژن نیاز است، اما هیچ تولیدی در مقیاس بزرگ در نزدیکی Finspång وجود ندارد. هیدروژن مورد مصرف توسط هفت مخزن تحت فشار 250 بار از سراسر سوئد جمع آوری میشود. با این حال گاز هیدروژن کافی برای انجام آزمایش ها در مقیاس بزرگ، برای کمتر از یک ساعت هم کافی نمیباشد.
آنسالدو
همانند سایر رقبا، تیم سرویس آنسالدو نیز در حال کار بر روی فناوری احتراق برای مخلوط کردن سوختها و درصد بالای هیدروژن است. چالش اساسی همچنان، سرعت بالای شعله هیدروژن مورد استفاده در سیستم های DLN بدلیل کاهش دامنه برگشت شعله، افزایش NOx و تغییر موقعیت شعله و داغ شدن قطعات در معرض شعله است.
این تیم به احتراق مخلوط 25٪ هیدروژن دست یافته اند. و با سیستم احتراق Flamesheet احتراق تا 40 درصد هیدروژن را نیز ممکن شده اند. آزمایش ها برای احتراق با 80٪ و هیدروژن با سیستم Flamesheet در حال انجام است. برنامه نهایی این شرکت، تلاش برای عملی کردن احتراق با 100٪ هیدروژن میباشد.
توربینهای گازی جدید GT26 F-Class و GT36 H-Class مجهز به سیستم احتراق Sequential Environment (SEV) هستند، که با توانایی بینظیر برای احتراق بیشترین درصد هیدروژن در مخلوط هیدروژن و گاز طبیعی، برای توربینهای جدید طراحی شده است. آنسالدو سیستم احتراق سوخت هیدروژن خود را برای توربینهای گازی کلاس F شرکتهای جنرال الکتریک، زیمنس، وستینگهاوس و MHPS، که در حال بهره برداری هستند، طراحی و تجاری سازی کرده است.
بازدیدها: 385