Водородная газопоршневая установка – передовое решение в энергетике
Задача ясна: климатическая нейтральность к 2050 году. И если в транспортном секторе в последние годы наметилась четкая тенденция к переходу на электрическое топливо, то в сфере энергетики вопрос до сих пор остается открытым: каким образом мы можем достичь глобальной цели экологической безопасности, сохранив при этом экономическую эффективность, и в то же самое время обеспечить стабильное тепло и энергоснабжение в любой момент времени?
Газопоршневые установки на водороде может стать основным решением для реализации этой комплексной задачи. В настоящий момент новый продукт 2G полностью готов к выходу на мировой рынок.
В Европейских странах наблюдается стабильный рост объемов электроэнергии, получаемой из ветра и солнца. Очевидно, что в будущем основная доля энергобаланса будет поступать именно из этих источников, способствуя таким образом достижению экологических целей. Однако есть загвоздка: когда дует ветер или светит солнце, объемы производства электричества и тепла превышают необходимые нормы. И наоборот, зачастую солнце и ветер отсутствуют, когда в этом есть насущная потребность. Следовательно, чтобы сократить временной разрыв между выработкой энергии и ее использованием, нам необходима система хранения энергии. Несмотря на большие успехи в разработке систем краткосрочного хранения, как например, в электромобилях, до сих пор не существует решения проблемы сезонной компенсации выработки энергии и спроса на нее. Кроме того, европейские электросети часто работают на пределе своих возможностей, особенно в густонаселенных районах. Из-за повсеместного использования тепловых насосов, электромобилей и увеличения производительности компьютеров в условиях цифровизации, многократно возрастает нагрузка на электросети. Растет риск отключения электроэнергии.
Потенциал водорода в энергетическом секторе
В последние годы водород все чаще становится ключевой фигурой в ходе дебатов о проблемах глобального климата. С помощью электролиза избыточную энергию ветра и солнца можно преобразовывать в водород и сохранять для дальнейшего использования в различных отраслях. Сейчас широко обсуждается возможность применения «зеленого водорода» в тяжелой промышленности или транспортном секторе – но в энергетической отрасли использование водорода имеет едва ли не больший потенциал.
В Европе уже повсеместно добавляют водород в сети природного газа, и производители компонентов во всех отраслях промышленности учитывают изменение состава смеси при разработке новых продуктов.
Производители газопоршневых установок (ГПУ), работающих на природном газе, также уделяют все большее внимание разработке новых продуктов, которые в недалеком будущем будут способны функционировать с учетом возможного увеличения доли использования водорода в энергосистеме. 2G Energy AG – производителю ГПУ, базирующемуся в г. Хеек / Германия, удалось не только модернизировать свои станции для работы с определенной долей водорода, но и разработать ряд продуктов для работы со 100% водородным топливом. Таким образом, в условиях энергетического перехода, когенерационные установки становятся той самой недостающей частью головоломки, которая собирает воедино разрозненные прежде части: требования к достижению климатической нейтральности, с одной стороны, и стабильную надежность энергоснабжения, с другой.
Начальные этапы разработки ГПУ на водороде
Более десяти лет назад — задолго до того, как в Германии было принято решение о поэтапном отказе от ядерной энергии и угля, компания 2G запустила разработку когенерационных установок, полностью работающих на водороде для проекта, финансируемого Берлином. «Неутомимый дух новаторства, в значительной степени присущий компании 2G, в сочетании с многолетним успешным опытом в области разработки газовых двигателей, позволили 2G стать пионерами в инновационной технологии использования водорода в теплоэнергетических установках», — поясняет технический директор Франк Греве (рис. 1).
Технический директор 2G
«Несомненным преимуществом следует считать, что техническая зрелость рынка сегодня идет рука об руку с растущим спросом на водород, как важный элемента будущего энергетики» — продолжает Греве.
В чем же состоит принципиальное отличие между ГПУ, работающей на водороде, и традиционной ГПУ, созданной для работы на природном газе или биогазе? Различия не велики — все основные компоненты, такие как генератор, теплообменник, насосы и т. д., почти идентичны. И даже сам двигатель создан на основании уже имеющихся вариантов для установок на природном газе, которые компания 2G внедрила на тысячах объектов по всему миру. Факт отсутствия принципиальных конструктивных различий в сочетании с почти идентичными производственными процессами, означает, что затраты на водородную ТЭЦ лишь незначительно превышают затраты на внедрение установки, созданной для работы с природным газом или биогазом.
Принцип производства смеси — решающее отличие
Помимо гибкости управления степенью сжатия за счет использования поршней с противоположным движением, основное различие заключается, прежде всего, в процессе образования смеси перед сгоранием. В двигателях, работающих на природном газе или биогазе внешняя генерация смеси происходит в газовом смесителе и перед сжатием, в случае с водородным двигателем сжатие смеси осуществляется непосредственно перед камерой сгорания. Водород через газовую форсунку подается в газовый инжектор перед подачей готовой к воспламенению смеси в камеру сгорания – входной патрубок прямого впрыска. Следовательно, при работе на водороде сжимается и охлаждается только воздух (рис. 2).
Такое различие в конструкции и работе двигателей обусловлено в первую очередь различием физических свойств водорода и природного газа/биогаза (рис. 3)
Помимо того, что водород воспламеняется, легче чем природные газы, он также имеет более высокую скорость ламинарного пламени. Таким образом, чтобы избежать неконтролируемого возгорания, сжатый воздух смешивается с водородом непосредственно перед сжиганием. Однако, в отличие от природного газа, водородный двигатель всегда работает на бедной смеси, с соотношением воздуха (лямбда) больше 3, что теоретически, при прямом сравнении делает энергию воспламенения почти идентичной. Греве считает такую техническую особенность весомым аргументом в пользу безопасности использования водорода в двигателях внутреннего сгорания: «Когда заходит речь о водороде, у многих людей до сих пор возникает опасная ассоциация со школьными экспериментами с оксигидрогеном на уроках химии. Конечно, работа с газами всегда требует повышенного внимания и осторожности, но использование водородных ГПУ не несет в себе какой-бы то ни было скрытой угрозы». В дополнение к уже упомянутому различию в генерации смеси, которое предотвращает проникновение воспламеняющейся смеси в другие части двигателя, кроме впускного тракта, вся технология газовой сигнализации также адаптирована для работы на водороде.
Низкие выбросы азота – положительный эффект работы водородного двигателя
Полное отсутствие выбросов CO2 в сочетании с высокой эффективностью когенерационных систем, обуславливают преимущество использования водорода в качестве топлива для ГПУ. Если внимательно присмотреться к проблемам вредных выбросов, можно увидеть еще одно преимущество, вызванное сжиганием обедненного топлива: благодаря очень широким пределам горючести водорода и особой конструкции водородного двигателя, используется газовоздушная смесь с большим избытком воздуха. Следовательно, возможно снижение выбросов выхлопных газов при максимальной мощности двигателя. Даже без сложной доочистки выхлопных газов выбросы оксидов азота в двигателе снижаются до самых низких значений, близких к пределу обнаружения. При таком же соотношении воздуха, температура сгорания водорода была бы намного выше, как и в случае сгорания природного газа. Однако, из-за использования обедненной смеси температура гораздо ниже, что предотвращает образование выбросов оксидов азота и, таким образом, приводит к снижению температуры выхлопных газов.
Гибкость использования различных видов топлива — даже в период эксплуатации
Как уже упоминалось ранее, использование примеси водорода в трубопроводах с природным газом встречается довольно часто и обычно не является источником проблем в работе ГПУ. Компания 2G даже утвердила стандарт на свою продукцию, работающую на смесях с долей водорода до 40%. В рамках этого значения не требуется вносить никаких серьезных изменений в конструкцию оборудования. Греве ссылается на многолетний опыт в области разработки водородных двигателей: «Адаптация двигателя внутреннего сгорания к изменению качества газа или использованию различных типов газа всегда требует проведения целого комплекса индивидуальных, последовательных действий. Помимо существенных преобразований, таких как, например, подача разных видов топлива, есть еще огромное количество не менее значимых мелочей: от наладки синхронизации зажигания до оптимизации настроек турбокомпрессора, и индивидуальных решений для систем управления и программного обеспечения, которые мы разрабатываем по большей части собственными силами». Такая техническая гибкость позволяет изменять содержание водорода в момент эксплуатации установки. Если клиентом прогнозируется увеличение значений содержания водорода более чем 40%, мы поставляем полностью водородный двигатель, который способен работать на природном газе с небольшой потерей эффективности. «Многие наши клиенты по всему миру разрабатывают инновационные концепции для собственного энергоснабжения в будущем. Мы всегда рады предложить им всестороннюю партнерскую поддержку таких проектов и индивидуально адаптировать параметры ГПУ, например, сезонную доступность водорода, уже непосредственно на объекте», — объясняет Греве.
Простой процесс модернизации существующих ГПУ, работающих на природном или биогазе
С самого начала, компания 2G видела одной из основных целей развития водородной технологии, возможность модернизации уже существующих систем, работающих на природном газе или биогазе, для работы с водородом. Греве говорит о конкретных запросы: «Среди клиентов есть энтузиасты, которые готовы приступить к эксплуатации водородных ТЭЦ уже сегодня. Почти каждый ранее установленный модуль ТЭЦ, в процессе прохождения очередного технического обслуживания имеет перспективы быть переоборудованным для работы на водороде. Поэтому мы советуем каждому оператору: установите ГПУ на природном газе сегодня и в будущем переоборудуйте ее для работы на водороде». Установки регулярно подлежат плановому техническому обслуживанию и ремонту, в ходе которых производится одновременная замена всех основных компонентов. Совмещение процесса переоборудования ГПУ с проведением планового технического обслуживания, способно принести ощутимую экономическую выгоду операторам, работающим с водородом. Например, при замене поршей, которая так или иначе осуществляется при проведении технического обслуживания в интервале 32 000 моточасов, устанавливаются новые, но уже для водородной системы. Мы всегда предлагаем клиентам экономически выгодное решение, с учетом проведения времени модернизации, технической ситуации на объекте и т. д. Как правило, расходы составляют около 15% от первоначальных инвестиций в ГПУ», — уточняет Греве финансовые затраты. Помимо замены систем подачи топлива и компонентов камеры сгорания, модернизация также включает в себя настройку системы управления и обновление программного обеспечения. Помимо очевидных преимуществ для оператора, такой подход также имеет большие экономические преимущества, поскольку переход к водородной энергетике осуществляется в рамках уже существующей инфраструктуры. «В рамках нашей концепции мы в первую очередь создали экономическое решение, которое делает переход на энергоносители доступным», — так Греве определяет разработку 2G в контексте энергетической политики.
Экономика готова — разработка продолжается
Преимущество использования водорода в двигателях внутреннего сгорания очевидно: это технология, прошедшая проверку временем, отлично зарекомендовала себя во всем мире, и поэтому гарантирует прекрасный результат. Компания 2G хорошо знакома с физическими законами, свойствами материалов и т. д. и уже разрабатывает надежные и высокопрочные продукты для работы со 100% водородом. К настоящему времени компания поставила пять когенерационных установок с различными классами мощности от 100 до 400 кВт для работы на 100% водороде – популярность и интерес к водородным системам неуклонно растут. Тем не менее, Греве все еще видит возможности для улучшения в разработке линейки продуктов, работающих на водороде: «Уже реализованные проекты показывают, что техническая осуществимость не является проблемой. Для нас, как для производителя, единственной задачей является улучшение эффективной мощности двигателя. В настоящее время мы одобрили выпуск серии водородных двигателей со средним давлением до 14 бар. В сравнении с двигателями, работающими на природном газе и имеющими среднее давление 18 бар, их производительность несколько ниже. Однако, на испытательном стенде мы уже опробовали водородную установку с давлением 18 бар, так что в среднесрочной перспективе производительность таких установок будет идентичной».
Европейская и общемировая тенденции, как ключевой вектор направления
В будущем, благодаря интеллектуальным цифровым технологиям, система 100% возобновляемой энергии будет представлять собой эффективное сочетание различных источников энергии и энергоносителей. Очевидно, что такая тенденция намечается не только в Европе, но и в мире в целом. Подобно текущему потреблению энергии в отдельных странах, где предложение и спрос редко совпадают, доступность водорода, произведенного путем регенерации, также будет отличаться от фактического спроса. Сейчас становится необходимым децентрализованное хранение водорода в регионе потребления энергии. Технология когенерации, которая совершенствовалась в течение десятилетий, и связанная с ней инфраструктура, с точки зрения климатической политики, являются наиболее эффективным решением для достижения видимых успешных результатов в ближайшей перспективе. И в то же время представляют собой долгосрочную основу для создания децентрализованного климатически нейтрального энергоснабжения. Сегодня природный газ — завтра водород.
