Газові турбіни ТЕС є частиною сучасної енергосистеми завдяки своїй високій ефективності, надійності, експлуатаційної і паливної гнучкості. Але під час впровадження поновлюваних джерел енергії, накопичувачів енергії і декарбонізірованного газу - водень, аміак, синтетичний метан та інші види «зеленого» палива - першорядна увага в будь-якій області енергетики приділяється дослідженням і розробкам (НДДКР).
За даними ETN Global, некомерційної торгової групи зі штаб-квартирою в Брюсселі, що представляє весь ланцюжок створення вартості технологій газових турбін, застосування газових турбін буде засновано на гібридизації технологій газових турбін з поновлюваними джерелами і накопичувачами енергії.
Сучасні газові турбіни працюють з підвищеною енергоефективністю і продуктивністю і стали більш гнучкими в експлуатації. Одночасно зі скороченням викидів вуглецю на існуючих об'єктах, «майбутні системи повинні працювати при нульових викидах або інтегрувати рішення з уловлювання, використання і зберігання вуглецю (CCUS)».
В опублікованому в липні звіті ETN виклала свої рекомендації по технологіям газових турбін в області НДДКР. Рекомендації були підготовлені радою, до складу якого увійшли провідні фахівці європейських інститутів; комунальні підприємства - Enel і Uniper; виробники газових турбін - Siemens Energy, Ansaldo Energia і Baker Hughes; енергетичні компанії - Equinox і TotalEnergies; представники Національного центру аеронавтики і космічних досліджень Німеччини і Норвезького дослідного центру.
У звіті висвітлюються останні екологічні події в Європі - відмова від вугільного палива та енергетики, скорочення викидів водню і метану, перегляд Директиви про промислові викиди і стійке фінансування, які і визначають нові вимоги до розвитку технологій.
1. Операційна гнучкість.
Для забезпечення гнучкого резервування і гнучкості глобальної енергосистеми необхідні газові турбіни відкритого циклу (OCGT) або газові турбіни комбінованого циклу (CCGT).
На додаток до часткової диспетчеризації [системи поновлюваних джерел енергії], сучасні газові турбіни повинні мати такі властивості:
- швидкий запуск і зупинка (недавно побудовані парогазові установки мають 15-30 хвилин гарячого запуску, 60 хвилин теплого запуску);
- швидко реагувати на зміни навантаження (тематичні дослідження припускають до 40-50 МВт / хв);
- мінімізувати вплив на споживання і викиди протягом терміну служби компонентів.
Тому потрібне ретельне вивчення технологій як на рівні компонентів ( «проектування до терміну служби»), так і на рівні системи, включаючи інтеграцію з батареями, сховищами стисненого або скрапленого повітря [Малюнок 1].
1. HYFLEXPOWER, демонстраційний проект повністю інтегрованого перетворення енергії в водневу енергію в промисловому масштабі і в реальних додатках електростанції, перетворює комбіновану теплоелектроцентраль (ТЕЦ) потужністю 12 МВт (ел.). На целюлозно-паперовій фабриці Smurfit Kappa (компанія Engie Solutions в Сайя-сюр -Вьен, Франція). За даними компанії Siemens Energy, в цьому році в рамках проекту буде встановлено обладнання для виробництва, зберігання та подачі водню. У наступному році почнеться первісна демонстрація спалювання суміші природного газу і водню. Джерело: Siemens Energy.
Однак швидкий цикл вимагає удосконалення в області спалювання для вирішення проблеми викидів. У звіті говориться, що зміни конструкції, що стосуються втоми матеріалів і компонентів, також повинні повністю враховуватися.
У звіті відзначається «ймовірність серйозних ушкоджень на компонентах, руйнування термобарьерних покриттів,«втома»лопатей турбін, розтріскування і деградація камери згоряння. Це посилюється виникають вимогами щодо скорочення капітальних і експлуатаційних витрат для конкурентоспроможності газових турбін. НДДКР необхідно зосередитися повністю на всьому підприємстві, в тому числі на нижньому циклі. Замість класичного нижнього циклу водяної пари сьогодні розглядаються органічні цикли Ренкина і цикли на основі вуглекислого газу (CO2) (чисті або з добавками, Ренкина і Брайтона) з різними конфігураціями циклу.
2. Підвищення ефективності виробництва електроенергії.
«Виробники оригінального обладнання (OEM) повідомляють, що ККД газових турбін великої потужності в даний час складає 42,5% (стандарт ISO) в режимі простого циклу і 62,5% при комбінованому циклі, середній ККД нових установок в Європі нижче 50%» , - наголошується в звіті. Ефективність установок також знижується через роботу в умовах неповного навантаження, тому «деякі представники галузі закликають до використання інших циклів», наприклад, цикл повторного нагріву Брайтона.
Тим часом, незважаючи на безпрецедентну оптимізацію конструкції газових турбін, подальше підвищення їх ефективності може бути досягнуто за рахунок зниження зазорів турбіни. «Необхідні майбутні системи, здатні ще більше мінімізувати потік витоку в компресорі і, що більш важливо, в турбіні, без фізичного контакту між обертовими і нерухомими частинами», - йдеться в звіті. Підвищення ефективності також може досягатися за рахунок модернізації конструкцій газових установок, багатоцільовий топологічної оптимізації та активного управління охолоджуючими потоками.
Існують і інші можливості для «циклів підпору з одним тиском, повторного нагріву з субкритичного або надкритичних тиском свіжої пари і спалювання в повітроводі для підвищення гнучкості».
3. Адаптація до розширеного спектру палива.
Сьогодні газові турбіни в основному працюють на природному газі, але «деякі OEM-виробники розробляють проекти по 100% -ному спалювання водню». У звіті зазначається: «Суміші паливних газів (синтез-газ, водень) і розчинники (CO2, H2O) виходять на перші позиції в міру того, як нові процеси на основі газових турбін і нові паливні ресурси (біопаливо, сланцевий газ, СПГ [скраплений природний газ]) пропонуються для виробництва електроенергії і промислового застосування ». В цей спектр також входять нові вуглецево-нейтральні продукти, такі як біомаса в рідину і енергія Х.
Однак невідомо як ці речовини зможуть забезпечувати стабільність горіння і дотримання норм викидів. Ці проблеми також можуть «посилитися, якщо буде розглядатися перехід на гнучке паливо».
4. Скорочення викидів.
Рівні викидів оксидів азоту (NOx) газових турбін протягом останніх десятиліть постійно знижувалися. Однак все більше і більше проектів беруть 15 частин на мільйон (ppm) NOx в якості цільового показника викидів. Перед газотурбінними технологіями стоїть завдання по обмеженню викидів при частковому навантаженні, а також при використанні рідкого палива, водню і паливних газів з високим вмістом водню. Альтернативи традиційному згорянню з збідненого сумішшю виявилися багатообіцяючими.
Скорочення викидів CO2, з іншого боку, може бути досягнуто за рахунок підвищення ефективності, гібридизації процесів, використання низьковуглецевих видів палива та інтеграції технологій уловлювання CO2. Серед досліджуваних варіантів - інтеграція уловлювання CO2 в виробництво електроенергії на основі поновлюваного палива (наприклад, біопалива), яка «приводить до негативних викидів CO2 і може бути цікавим варіантом при розгляді торгівлі викидами як частини бізнес-плану».
Однак інтеграція уловлювання CO2 після спалювання з газовими турбінами потребують вибору відповідної технології для оптимізації інтеграції при збереженні гнучкості установки. Варіанти, які слід додатково вивчити, включають інтеграцію «традиційної» очищення аміном після спалювання або інших технологій на основі рідини для мінімізації витрат.
Альтернативні технології уловлювання допалювання, такі як цикли кальцієвого циклу або тверді сорбенти, які використовують концепції коливань тиску або температури, можуть поліпшити інтеграцію тепла (що призведе до більш низьким експлуатаційним витратам).
Інші варіанти включають рециркуляцію вихлопних газів, в тому числі «розширені» варіанти рециркуляції (використання мембран для поділу CO2).
5. Вдосконалені цикли.
Газова енергетика як і раніше грає вирішальну роль для резервування і стабілізації мережі. Тому зростає значення удосконалення циклів. Однак поступове підвищення ефективності газових турбін і технологічні зміни в найближчій перспективі не забезпечить досягнення вуглецевих цілей, встановлених, Європейською комісією на 20-30 рік.
«Розширені цикли - один з ключових елементів, що відповідають зростаючим вимогам, а різні технології відкривають можливості як з чисто термодинамічної точки зору, так і з точки зору системної інтеграції». Однак і тут є серйозні проблеми: «Більшість газових турбін з удосконаленим циклом (ГТ) пов'язані з іншими системами і компонентами або навіть з такими процесами, як високотемпературні паливні елементи і сонячні повітронагрівачі. Така інтеграція часто вимагає зміни масової витрати компресора або турбіни, а також різних робочих рідин. ГТ, представлені в даний час на ринку, не призначені для такого типу інтеграції процесів », - наголошується в звіті. Майбутні НДДКР повинні бути спрямовані на розробку концепцій «легко інтегруються і гнучких газових турбін, в іншому випадку для кожного циклу потрібно адаптація для конкретної газової турбіни». Особливу увагу слід приділяти можливостям модернізації та перетворення, враховуючи, що велика частина нинішніх встановлених потужностей, що складаються в основному з традиційних електростанцій, продовжить роботу до 2030 року.
Для досягнення цієї мети потрібно глибоке вивчення і тестування матеріалів, а також надійні інструменти чисельного моделювання, включаючи систему інструментів, що дозволяє аналізувати розширені інтегровані цикли без необхідності вручну переходити від інструментів моделювання електростанцій до інструментів моделювання процесів. Необхідно також розробити інструменти для аналізу перехідних процесів, так як газові турбіни все частіше використовуються для балансування енергії.
Серед кількох перспективних вдосконалених циклів в звіті виділяються сверхкритические цикли CO2 (рис. 2). «В даний час доступні комерційні системи для утилізації тепла, що відходить від 5 до 10 МВт [на рівні технологічної готовності (TRL) 9], в той час як технологія знаходиться на передкомерційнії стадії (TRL7-8) для додатків природного газу». Проте, ці системи все ще потребують розробки компактних, високоефективних та економічних теплообмінників, високотемпературних систем кисневого спалювання і вдосконалених конструкцій турбомашин. «Системна інтеграція як функція масштабу також потрібне подальше вивчення, так як це критично важливо для оптимізації і роботи системи в нестандартних умовах».
2. У США і Великобританії розробляється кілька електростанцій NET Power потужністю 280 МВт, які будуть використовувати цикл Аллама-Фетведта - новий енергетичний цикл «понадкритичний діоксид вуглецю». На знімку випробувальний центр NET Power в Ла-Порте, штат Техас, де в травні 2018 г. Був вироблений перший запуск в камері згоряння 50 МВт промислового масштабу.
Ще один вдосконалений цикл, має потенціал для досягнення тієї ж середньої за часом температури на виході з камери згоряння, що і звичайні цикли Брайтона, але при більш високому рівні тиску. Вологі цикли, в яких використовується робоча рідина з високим вмістом води, являють собою різні варіанти з TRL від 2 до 9 (найбільш зрілим є цикл Ченга), але тут також необхідні дослідження і розробки для різних компонентів на системному рівні.
Органічні цикли Ренкина (ORC) для стаціонарної вироблення електроенергії вже в даний час є комерційними (для використання в малих і середніх додатках), але подальші дослідження можуть підвищити їх продуктивність і рентабельність. Необхідні нові концепції циклів, що забезпечують більш високу теплову ефективність за рахунок понадкритичного пароутворення, каскадних схем або циклів, адаптованих до особливостей певних програм.
6. Системна інтеграція та зберігання енергії.
Інтеграція газотурбінних технологій в інші системи може запропонувати інноваційні рішення, але необхідно вирішити кілька технічних проблем, пов'язаних із зберіганням рідини і зберігання тепла / холоду.
Наприклад, теплові накопичувачі можна використовувати в декількох різних енергетичних циклах. «Сучасний стан високотемпературного зберігання включає технологію фазового переходу (розплавлені солі); в той час як різні комбінації солей (бінарні і потрійні) розглядаються для досягнення температури вище 520C, а також досліджуються інші середовища (наприклад, технології на основі кремнію або на основі кальцієво-вуглецевих петльових солей). Стабільність, вимоги до технічного обслуговування і сумісність матеріалів - все це необхідно вирішити», - йдеться в звіті.
У той же час можливість інтеграції акумуляторів тепла для гібридних газових турбін на сонячній енергії може вимагати розробки унікальних циклів, які б розділяли «систему згоряння газотурбінної установки, щоб забезпечити подачу тепла від акумуляторів тепла, а також управління балансом між сонячною і хімічної енергією в перехідних режимах».
В цілому всі схеми накопичення енергії обмежені з точки зору діапазону зміни або експлуатаційної гнучкості. Перспективні системи, що поєднують різні системи перетворення енергії, включають в себе використання паливних елементів в різних частинах звичайної установки перетворення енергії. Незважаючи на те, що масштаб і раніше обмежує загальну вихідну потужність, паливні елементи можуть використовуватися в якості сурогатної системи «згоряння» для технологій, вироблених від газових турбін, оскільки вони працюють (особливо твердооксидні паливні елементи) при високих температурах. Однак найбільшою проблемою є управління перехідними процесами - дві конверсійні системи мають дуже різний час реакції, як зазначається в звіті.