2024 年 11 月 29 日
- DLR 和 PSC 公司首次對商用微型燃氣渦輪機進行了改造。
- 借助新型燃燒器和適應的控制系統，燃氣渦輪機可以使用純氫氣以及天然氣混合物運作。
- 使用純氫氣時的氮氧化物排放量遠低於使用天然氣時的排放限值。
- 透過改造，可以經濟有效地將現有燃氣發電廠轉變為採用氫氣進行氣候友善運作。
- 焦點：能源、氫能
德國航空航天中心 (DLR) 和電力服務諮詢公司 (PSC) 首次將商用微型燃氣渦輪機改造為使用純氫進行氣候友善運作。這次所謂的改造後進行的測試顯示氮氧化物排放量極低。
由於建造新發電廠既耗時又昂貴，因此值得對現有發電廠中使用天然氣的燃氣渦輪機進行改造，使其能夠使用氫氣。
補償黑暗間歇和負載峰值
為了實現再生能源的安全可控供應，我們的能源系統需要穩定電網的發電廠。燃氣發電廠已經在調峰發電廠中發揮重要作用。它們可以快速且靈活地調整效能，從而補償負載峰值或無陽光、無風時所謂的黑暗間歇。
迄今為止，燃氣渦輪發電廠主要燃燒天然氣，因此排放二氧化碳。來自再生能源的綠色氫是一種氣候友善的替代品，可以取代天然氣。位於斯圖加特的 DLR 燃燒技術研究所正在研究如何使用氫氣運行燃氣渦輪機並盡可能減少排放。
改造－改造而不是建造新的
然而，建造新發電廠需要金錢和時間。因此，將現有系統轉換為氫能係統可能是值得的。這種所謂的改造概念可以讓人更容易進入氫經濟。 「建造一座輸出功率為 15 兆瓦的新燃氣渦輪發電廠大約需要六年時間，耗資約 3,000 萬歐元。 「另一方面，對現有系統進行改造只需要一年半的時間，成本約為十分之一，」德國太空中心燃燒技術研究所燃氣渦輪機部門負責人 Peter Kutne 表示。輸出功率在100千瓦左右的微型燃氣渦輪機通常用於醫院、飯店或啤酒廠來發電和加熱。
使用高達 100% 的氫氣取代天然氣
在 Retrofit H2 專案中，DLR 和 PSC 首次對試點工廠進行了全面改造。他們共同改造了安薩爾多綠色科技公司的微型燃氣渦輪機，使其可以使用純氫氣以及天然氣和氫氣的混合物運作。這是第一個可銷售的微型燃氣渦輪機改造概念。
DLR 研究員 Dr. Martina Hohloch 和她的團隊首先用該研究所開發的氫能版本替換了渦輪機的燃燒室。 “氫的高化學反應活性尤其具有挑戰性。它的火焰速度大約是天然氣的十倍，而點火能量卻低同樣的係數。這使得安全燃燒變得困難，」該項目負責人霍洛赫解釋道，並補充道：“在開發燃燒器時，我們必須確保火焰不會飛回燃燒器的噴嘴並損壞它。
純氫首次亮相
在蘭波爾德斯豪森 DLR 基地的氫氣容器技術中心，改造團隊使用純氫氣對微型燃氣渦輪機進行了首次試運轉。 「我們非常高興看到帶有新燃燒室系統的渦輪機如何在實驗室環境之外啟動，」博士說。瑪蒂娜·霍洛赫。 「測試表明，我們可以毫無問題地從純氫氣開始，並且系統達到從部分負載到滿載的完整運行範圍。我們的試點系統在幾個小時內提供了 100 千瓦的全部電力輸出。
H2容器技術中心是改造系統的理想測試環境。兩個電解槽利用鄰近 ZEAG Energie AG 旗下 Hardthäuser Wald 風力發電場的電力生產綠氫。該設施為公司和研究人員提供了理想的條件。位於蘭波爾德斯豪森的 DLR 擁有眾多用於太空推進的引擎測試台，在處理高反應性氫氣和氧氣方面擁有數十年的經驗。
靈活選擇燃料
改造概念的另一個優點是渦輪機的高燃料彈性。在獲得足夠的綠色氫氣之前，發電廠必須使用天然氣和氫氣的混合物運作。燃氣渦輪機應在所有混合比下高效運作。然而，不同的燃燒特性具有挑戰性。因此，電力服務諮詢設計了一種靈活的混合和分配系統，可以根據相應的燃料混合物調整微型燃氣渦輪機。這意味著該系統可以使用純氫氣和天然氣混合物運作。這需要對控制和安全技術進行調整。
在蘭波爾德斯豪森的中試工廠，研究團隊對改裝後的微型燃氣渦輪機進行了長期測試。燃燒氫氣和所有混合物且排放盡可能少的目標已經實現。
由於空氣由 78% 的氮氣和 21% 的氧氣組成，因此用空氣燃燒氫氣也會產生不必要的氮氧化物。原因是氫氣的燃燒溫度高。 「在微型燃氣渦輪機的整個運作範圍內，氮氧化物的比例低於百萬分之 15 (ppm)。這遠低於天然氣的極限，」博士強調。瑪蒂娜·霍洛赫。 “這一出色的結果證實了射流穩定燃燒非常適合氫氣。”
用於分散式發電廠的微型燃氣渦輪機
微型燃氣渦輪機已用於熱電聯產。它們為熱量需求量大的地方提供電力，例如飯店、游泳池或醫院。該技術特別適合未來再生能源供應變得更加複雜的領域。
燃氣渦輪機的燃料彈性帶來了額外的商業優勢。只要工業製程產生廢棄物（例如污水處理廠或垃圾掩埋場）合適的氣體，它們就可以用作能源供應的燃料。
與儲存一起，可以建立分散的能源系統，該系統對於完全故障具有很強的彈性。此類能源系統的規模從建築層面的數千瓦到城市地區或較小社區的幾十兆瓦不等。
燃氣渦輪機的新概念：「噴射」穩定燃燒
對於氫氣等高活性燃料，有火焰從燃燒室回火進入燃燒器並損壞零件的風險。這就是為什麼 DLR 燃燒技術研究所開發了一種所謂的噴射穩定燃燒器，並針對氫氣對其進行了最佳化。
與傳統的工業燃燒器不同，燃料和空氣會透過環形噴嘴吹入燃燒室。這會在燃燒室中產生回流。這會將熱廢氣輸送回燃燒器噴嘴，並將其與新鮮的燃料混合物混合。
這降低了燃燒室的溫度並減少了氮氧化物的產生。廢氣的再循環也非常有效地穩定了火焰。此概念具有可擴展性，也適用於其他類型和尺寸的渦輪機。
[照片]
(A) DLR 和 PSC 公司首次將商用微型燃氣渦輪機改造為使用氫氣運行
在位於蘭波爾德斯豪森的 DLR 現場，專案團隊測試了微型燃氣渦輪機（中）和控制系統（左側的方框）。
(B) 為了使用純氫氣運行，DLR 開發了一種用於渦輪機的新型燃燒器
氫氣比天然氣燃燒得更熱、更快。這需要合適的燃燒室以及靈活的燃料供應和控制。
(C) 使用噴射穩定燃燒器，氫氣可以以受控、安全和低污染的方式燃燒
在實驗室中，德國太空中心使用開放式氫火焰測試了在微型燃氣渦輪機中運行的新型燃燒器技術。氫氣和空氣的混合物以所謂的「噴射」的形式透過排列成圓形的多個噴嘴高速流入燃燒室。這最大限度地減少了火焰閃回噴嘴的風險。
(D) 位於蘭波爾德斯豪森的 DLR H2 容器技術中心
電解槽利用鄰近風電場的電力在現場產生綠氫。
(E) 帶有噴射穩定氫火焰的玻璃燃燒室
氫氣燃燒時燃燒室中的流動可以在試驗台上觀察和分析。
(F) 在噴射穩定燃燒過程中，燃料和廢氣形成回流
燃燒室中氣體的循環確保了氫氣的特別有效和穩定的燃燒。