环境和允许考虑脱碳与氢

由史蒂文说

许多专家认为氢将发挥关键作用的脱碳全球能源供应的努力。然而,目前的制氢方法释放大量的二氧化碳,和碳捕获技术带来了一系列的并发症,增加成本。在燃气轮机燃烧氢也引发了没有_x排放问题,所以仍有障碍需要克服氢履行之前的承诺。

氢是宇宙中含量最丰富的物质已知的。它研究了强烈和industrially-from农业用于火箭燃料。这是最小的,最轻的元素周期表,既有重力能量密度最高的国家之一,气体燃料的体积能量密度最低。简而言之,氢,科学,一个易于理解的元素。

尽管这段历史和全球兴趣氢作为一个方法来帮助脱碳发电领域,使用氢作为发电燃料来源仍处于起步阶段。使用氢脱碳的概念是多方面的,但纯氢的动机是清楚- - - - -燃烧导致零排放的二氧化碳(CO₂)。说,有各种各样的环境因素与制氢和氢燃烧发电,需要进一步探索。

制氢

氢可以由几种方法,通过不同的颜色分类。在发电行业,最适用的生产方法是:

• 绿色的氢。电解水使用可再生电力。
• 灰色的氢。鼻中隔黏膜下切除术后蒸汽甲烷重整()。
• 蓝色的氢。与阶梯短环到超级扁环碳捕捉和封存(CCS)。

蒸汽甲烷重整与碳捕捉和封存。目前,最常见的方法生产氢气使用天然气(甲烷)鼻中隔黏膜下切除术后作为主要原料。直到最近,几乎没有人注意到公司₂鼻中隔黏膜下切除术后排放;然而,随着发电行业的重要性放在脱碳,通常只被视为一个合法的阶梯短环到超级扁环与CCS当采用脱碳技术。

鼻中隔黏膜下切除术后有效的过程可以产生氢气(H₂从甲烷(CH)₄)和水(H₂O)而发出有限公司₂的速度约90磅每百万英热单位(磅/ MMBtu)燃料的生产。然而,额外的股份有限公司₂鼻中隔黏膜下切除术后排放可以归因于过程。

鼻中隔黏膜下切除术后重要的能量输入所需的过程(热量和蒸汽)。当包括有限公司₂发出他们的生成,有效的有限公司₂发射率为电力生产大约160磅/ MMBtu。相比之下,有限公司₂排放因子直接燃烧的天然气发电设备少得多,大约117磅/ MMBtu燃料消耗。

基于这些近似,有效的有限公司₂鼻中隔黏膜下切除术后排放的整个过程需要减少约30%的制氢方法(,并最终hydrogen-fired发电)开始脱碳。添加CCS可以帮助,但是增加了其他并发症,包括增加的能源需求操作安装CCS和多个排气流鼻中隔黏膜下切除术后(过程和能源)需要治疗。与当前CCS技术的局限性,最终,蓝色的氢只有一个略小的比灰色的氢,碳足迹明显更高的资本和运营成本。

电解水。电解水产生的氢,使用电力来自可再生能源,低有限公司₂排放直接归因于这一过程。的优势将可再生能源制氢过程是双重的:

• 使用接近零排放的能源生产氢。
• 在电力生产氢的存储供以后使用有助于平衡长期、低需求期间可再生能源生产过剩和不足可再生能源生产的需求上升时期。

这个存储过剩的可再生能源行业一直是一个挑战,只是部分解决短时间使用电池的存储和较小的放电能力。图1突出显示了一些比较知名的能源储存技术,显示氢的潜力来填补一个巨大的差距在高端的轴。

1。这个图表显示了存储容量(横轴)和放电持续时间(垂直轴)的四个常见的储能技术。礼貌:电力工程师

氢高容量的潜力,延长储能也许是其最大的卖点,我们朝着脱碳以可再生能源为主要增长的资产类别。但这个过程对环境的影响是什么?让我们看看空气质量和水资源。

因为没有显著的空气排放源的电解装置,空气允许问题预计不会是巨大的。然而,有dispersion-related需求,尤其是那些与排气到大气中氢在启动,关闭,或故障事件。

这些喷口通常设计为高架耀斑(灯)和必要的辐射热量建模在通风确保一个安全的区域。此外,适当的轻的气体扩散模型研究确保安全地释放氢羽是分散的。

电解水转换成氢和氧,氢的生产一磅至少需要9磅的水。例如,氢燃烧100%提高简单循环燃气轮机需要每小时4675磅的氢。假设以同样的速度,生成的氢是燃气轮机消耗,需要每小时5045加仑的水产生氢气。

在此背景下,地方比较的高尔夫球场灌溉用水量。据美国高尔夫球协会,一个典型的美国东北部的高尔夫球场使用平均每年每小时2400加仑的水,而一个典型的美国西南部的高尔夫球场使用平均每年每小时12000加仑的水。

氢燃烧发电

作为化石燃料发电工厂退休代替可再生能源生产,可以提供高容量,延长脱碳能力变得越来越重要。基本负载代可再生能源的转变使氢时候电力需求越来越有吸引力的选择是高和可再生能源是不可用的。

生成大规模储能电力需求高峰,hydrogen-fired燃烧涡轮的技术选择。目前,氢必须与天然气混合。大多数燃气轮机制造商声称现有船队可以燃烧氢燃料混合高达25%(体积没有燃烧器修改。随着技术的快速进步,引进涡轮机燃烧100%氢是快到了。

允许考虑和设计的影响

然而,环境问题与氢燃烧发电。一个共同的假设是,氢是一种清洁燃料,无有害空气污染物的排放。而氢作为燃料不会排放温室气体,燃烧单元使用环境空气供应氧气燃料燃烧过程中。这种空气含有氮,在热量和氧气的存在,形成氧化物的氮(NO_x)。没有_x排放高度管制空气污染物由联邦、州和地方环保机构。

没有_x在比较氢燃烧时排放增加天然气燃烧。氢是轻,燃烧热,并且有三分之一的热值比天然气体积的基础上。因为它燃烧热,没有_x高排放。这没有增加_x空气排放可能会触发额外允许并发症为现有的单位,和挑战新单位的设计和操作。

对于现有的单位,添加25%氢燃烧空气的能力允许可以考虑改变的方法操作,引发更多、更广泛的空气允许需求。如果没有增加_x空气排放,允许并发症可以最小化。如果有增加_x排放,这可能引发预防严重恶化(PSD)允许需求。这些需求可能包括空气分散建模演示符合空气品质标准和现有的最好的控制技术(BACT)分析。没有增加_x排放为年长的涡轮机,历来都是受新源性能标准(NSPS)部分GG,可能意味着他们现在受到更加严格的没有_x排放监测和限制NSPS单色模式组成。

如果新燃气轮机安装,最终将燃烧氢100%,未来没有增加_x排放应该考虑在设计过程的早期。选择性催化还原系统(SCR)应该足够大小,随着混合燃料的氢含量的增加,相应的增加_x排放最小化。过度设计的可控硅预先将节省允许头痛和可控硅在未来重新设计。

此外,考虑到增加氢含量很重要当进行空气污染物扩散模型分析以确保未来没有足够的合规保证金_x排放增加。这可能会导致增加烟囱高度在最初的设计单位。

燃烧氢的目的是减少有限公司₂排放。今天的技术的局限性,然而,氢是与天然气混合。混合燃料氢含量和公司之间的关系₂排放减少不是线性的。图2显示了有限公司₂排放基于氢的数量与天然气混合体积的基础上。

2。这幅图描绘了氢燃料混合百分比之间的关系(横轴)和有限公司2排放因子(左纵轴)和相应的减少有限公司2排放相比,天然气燃烧(右纵轴)。礼貌:电力工程师

如图2所示,当燃烧氢混合25%,有限公司₂减排约为10%。减少是由于氢的低气体密度和相应的低体积加热内容相比,天然气(也就是说,在25%体积的燃料混合,只贡献约10%的氢燃料混合加热值)。

10%的公司₂减排可能并不足以证明修改现有的燃气轮机,但这是目前唯一可行的办法减少从现有燃气轮机没有添加CCS。另一个著名的公司₂减排方法是热率提高,但这并不是现实的得到10%的改善从任何维护良好效用燃气轮机热效率。

展望未来

氢燃烧是为数不多的技术降低CO₂熟悉的燃烧排放源。因此,随着氢气生产、存储和燃烧技术的成熟,在脱碳会增加氢的作用。

对于任何开发发电技术,考虑大局在规划未来的长期成功至关重要。氢的环境和允许的影响,如有限公司₂氢的生产和排放_x从氢燃烧排放增加,必须评估和理解为一个项目获得成功。

本文最初发表在杂志。