Tua bin khí hydro, đồng đốt thành công với hỗn hợp 30% nhiên liệu, là một bước tiến quan trọng hướng tới một xã hội không có carbon
1. Kỳ vọng về năng lượng và công nghệ hydro
Đối phó với mâu thuẫn giữa nhu cầu năng lượng mạnh mẽ và quá trình khử cacbon toàn cầu
Satoshi Tanimura cho biết: “Năng lượng là nền tảng của ngành công nghiệp,” Satoshi Tanimura - Kỹ sư trưởng và Giám đốc cấp cao của Bộ phận Hành chính Công nghệ Tua bin Khí của Mitsubishi Power - người đi đầu trong việc phát triển các tuabin khí chạy bằng nhiên liệu hydro có công nghệ đốt không CO2. “Nếu nhu cầu tồn tại, nguồn cung sẽ được cung cấp bởi các công ty điện lực và các cơ sở sản xuất điện là cần thiết để cung cấp nguồn cung này. Đồng thời, ngày càng có nhiều sự giám sát của công chúng đối với việc sản xuất điện tạo ra khí thải CO2. Họ muốn điện, nhưng họ không muốn phát thải CO2. Nhiệm vụ của các kỹ sư là theo đuổi sản xuất nhiệt điện không thải ra CO2 ”.
Tại Nhật Bản, năng lượng chính của đất nước chủ yếu được chuyển đổi thành điện năng, chiếm 43% tổng năng lượng. Nhiệt điện chiếm 85% sản lượng cung cấp điện với cơ cấu loại nhiên liệu như sau: LNG 44%; dầu hỏa ở mức 9%; và than ở mức 32% (tính đến năm 2015).
Khi các lựa chọn năng lượng tăng đều đặn, nhiệt điện vẫn là nguồn năng lượng quan trọng. Tanimura cho biết: “Đối với nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, các nỗ lực liên tục được thực hiện nhằm giảm lượng khí thải bằng cách nâng cao hiệu quả thông qua đổi mới công nghệ. “Lượng phát thải CO2 trên mỗi tổ máy của các nhà máy chu trình hỗn hợp tuabin khí (GTCC), kết hợp tuabin khí và hơi, thấp hơn một nửa so với phát thải từ nhiệt điện than. Nhưng nó không thay đổi thực tế là CO2 vẫn được thải ra trong quá trình sản xuất nhiệt điện bằng khí; chúng ta không thể nhắm mắt trước sự thật này. Là một kỹ sư, tôi đặc biệt nhạy cảm với các vấn đề toàn cầu và mong đợi giải quyết chúng. Và chúng ta phải phát triển công nghệ để đối phó với các vấn đề xung đột về nhu cầu mạnh mẽ về năng lượng và giảm thiểu CO2 ”.
Một lộ trình rõ ràng để đạt được một xã hội hydro
Trọng tâm của Satoshi Tanimura là sản xuất nhiệt điện không thải ra CO2. Ông nói: “Lĩnh vực tham gia của chúng tôi là phát triển các tua-bin khí hydro.
Chiến lược hydro cơ bản của Nhật Bản bao gồm mục tiêu thương mại hóa sản xuất điện hydro vào năm 2030. Tuy nhiên, liệu có thể thương mại hóa sản xuất điện hydro trong vòng hơn mười năm nữa không? Ngay cả khi công nghệ được phát triển thành công, có bao nhiêu nhà điều hành nhà máy điện có đủ khả năng để đổi mới cơ sở của họ?
Tanimura cho biết: “Ngay cả khi các cơ sở sản xuất năng lượng hydro được lắp đặt tại các nhà máy điện đã được lên kế hoạch đổi mới, thì việc mong đợi khối lượng sản xuất điện đáng kể sẽ được đảm bảo chỉ trong 10 năm là không thực tế. “Đó là nơi Mitsubishi Power xuất hiện — chúng tôi đã hình thành một hệ thống sản xuất năng lượng hydro sử dụng các cơ sở tuabin khí hiện có.”
Tanimura và các đồng nghiệp của ông tại Mitsubishi Power đã thành công trong việc phát triển thiết bị đốt tua bin khí hydro quy mô lớn sử dụng hỗn hợp LNG - nhiên liệu được sử dụng trong nhiệt điện chạy bằng khí - và 30% hydro. Nó đốt cháy hydro trong khi cho phép ngăn chặn lượng khí thải NOx đến mức nhiệt năng đốt bằng khí. Công nghệ này tương thích với công suất tương đương 700MW (với nhiệt độ tại đầu vào tuabin là 1600 ℃) và nó giúp giảm khoảng 10% lượng khí thải CO2 so với GTCC.
Vì công nghệ này cho phép sử dụng các cơ sở hiện có, việc sửa đổi quy mô lớn các cơ sở phát điện trở nên không cần thiết. Điều này giúp giảm chi phí và các rào cản khác, thúc đẩy quá trình chuyển đổi suôn sẻ sang xã hội hydro.
Nhưng liệu hydro có thể được truyền vào hỗn hợp nhiên liệu của các cơ sở hiện có một cách dễ dàng như vậy không? Các khía cạnh như phản ứng tổng hợp, đốt cháy, chất lượng và hoạt động của hydro phải khác với LNG. Công nghệ đốt hỗn hợp hydro này do Mitsubishi Power phát triển là gì? Đâu là bước đột phá về công nghệ? Và động thái tiếp theo là gì? Bây giờ chúng ta sẽ xem xét chi tiết nhiều thử thách mà Tanimura đã phải vượt qua.
2. Đốt cháy thành công 30% hydro đại diện cho một bước tiến lớn đối với một xã hội hydro
Hydro dễ đốt cháy và cuộc chiến với "hồi tưởng"
Hydro - nguyên tố nguyên tử số 1 - là nguyên tố đầu tiên mà học sinh học về, và là nguyên tố nhẹ nhất trong tất cả các nguyên tố. Hydro là sạch - khi cháy, nó chỉ tạo ra nước. Ngược lại, nó là một chất khó xử lý. Nó bốc cháy dữ dội, vì vậy ý tưởng về hydro thường đi kèm với nỗi sợ hãi về các vụ nổ. Nó rất dễ bắt lửa, chỉ cần năng lượng tương đương với tĩnh điện để đốt cháy và có phạm vi đốt cháy rộng. Đây là những khó khăn đi kèm với yếu tố dễ cháy như vậy. Vì vậy, có rất nhiều thách thức mà các kỹ sư phải vượt qua để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu hydro 30%.
Satoshi Tanimura của Mitsubishi Power cho biết: “Trong trường hợp hỗn hợp nhiên liệu hydro 20%, tuabin khí hiện có có thể được sử dụng. “Tuy nhiên, làm cho nó trở nên tuyệt vời
với 30% hydro đặt ra một thách thức khá lớn cho các kỹ sư tuabin khí. Cần phải hiểu các đặc tính đốt cháy và kiểm soát sự trộn lẫn và hành vi của không khí ”. Ngay cả với các vật liệu cao cấp, công nghệ phải kiểm soát những khía cạnh đó, các cơ sở vật chất phải bền và chất lượng cao được duy trì một cách nhất quán. Đó là công việc của một kỹ sư để giải quyết những vấn đề này.
Những trở ngại cản trở hỗn hợp 30% hydro là hồi tưởng, dao động áp suất đốt cháy và NOx. Những đặc điểm riêng biệt của hydro và sự trộn lẫn hydro với không khí là nguyên nhân của những đoạn hồi tưởng. Hồi tưởng là hiện tượng ngọn lửa bên trong thiết bị đốt đi lên nhiên liệu đi vào và rời khỏi buồng đốt. Khi hydro cháy nhanh chóng, hiện tượng hồi tưởng thường xảy ra.
Hơn nữa, phương pháp trộn lẫn làm phức tạp việc giảm thiểu hồi tưởng. Công nghệ này sử dụng quá trình đốt trước. Nhiên liệu và không khí được trộn lẫn trước khi đi vào lò đốt. Mặc dù điều này cho phép đốt cháy NOx thấp, nhưng hiện tượng hồi tưởng xảy ra phổ biến hơn khi sử dụng nhiên liệu chứa hydro. Bằng cách đảm bảo đủ khoảng cách, việc trộn đủ có thể được thực hiện đồng thời đạt được NOx thấp, nhưng điều này sẽ làm tăng nguy cơ hồi tưởng. Để giải quyết vấn đề này, các cải tiến đã được thực hiện đối với vòi phun xoáy. Khu vực vận tốc thấp ở trung tâm của vòi phun đã được giảm thành công, tăng cường đáng kể khả năng chống hồi tưởng.
Phải tuyệt đối tránh đốt nhiên liệu ở bất cứ đâu trừ bên trong lò đốt. Nếu không thể ngăn chặn được hiện tượng hồi tưởng thì không thể phát triển thành công tuabin khí hydro.
Công nghệ tiên tiến để kiểm soát sự dao động áp suất đốt có thể phá hủy lò đốt
Dao động đốt cháy xuất hiện một trở ngại khác. Nhiệt độ bên trong lò đốt đạt tới 1.600 ℃ và người ta biết rằng việc đặt tải nhiệt cực cao lên xi lanh của lò đốt dẫn đến việc tạo ra tiếng ồn rất lớn do giá trị đặc trưng của xi lanh. Đây là hiện tượng được gọi là sự dao động áp suất đốt cháy.
Đặt dao động từ âm thanh lớn cùng với dao động của ngọn lửa từ quá trình đốt cháy và chúng khuếch đại, tạo ra công suất vô cùng lớn. Ngoài ra, với khoảng thời gian đặc biệt ngắn khi đốt cháy hydro, ngọn lửa và dao động có nhiều khả năng khớp với nhau, làm tăng khả năng dao động áp suất cháy.
Vậy âm có độ lớn như thế nào?
“Nó thực sự vượt quá ồn ào. Và một khi dao động xảy ra, nó sẽ phá hủy lò đốt ngay lập tức, ”Tanimura nói. “Để tránh điều này, chúng ta không chỉ điều chỉnh vị trí đốt nhiên liệu, phương thức đốt; chúng tôi đã kết hợp một số cải tiến như thiết bị hấp thụ âm thanh. ”
Trong khi ngăn chặn những hiện tượng này và đáp ứng các điều kiện cần thiết, Tanimura và nhóm của ông cũng phải kéo dài tuổi thọ của cơ sở bằng cách tăng cường khả năng bảo trì và hiệu suất của cơ sở nói chung. Hơn nữa, họ phải liên tục tìm kiếm những vật liệu tốt nhất, hình thức tối ưu và sự kết hợp lý tưởng — từ việc tối ưu hóa hình dạng và vật liệu của vòi phân phối nhiên liệu, hình dạng và vật liệu đốt cháy đến chất lượng của lớp phủ và điều chỉnh gốm cách nhiệt của kích thước hạt. Việc lặp đi lặp lại quá trình thử-và-sai này đưa họ đến gần hơn với sự phát triển của hệ thống phát điện không có CO2 và cuối cùng là thực hiện một xã hội không có carbon.
Điều quan trọng hàng đầu đối với các nhà vận hành nhà máy điện - những người sử dụng tuabin khí - là sự an toàn, nguồn cung cấp ổn định và chi phí. Để cung cấp nguồn điện ổn định, đương nhiên cần phải có nguồn cung cấp nhiên liệu ổn định, cùng với việc giảm thiểu tình trạng mất điện, khoảng thời gian giữa các lần kiểm tra định kỳ dài hơn và chi phí vận hành thấp. Tanimura cho biết: “Tua bin khí phải chịu được ba năm hoạt động liên tục trong các điều kiện khắc nghiệt, bao gồm tốc độ quay nhanh 3.600 vòng / phút với hơn 8.000 giờ mỗi năm. “Sự linh hoạt để tiếp tục tạo ra nguồn điện chỉ với LNG nếu việc cung cấp hydro tạm thời ngừng hoạt động chắc chắn là một lợi ích lớn khác cho người sử dụng.”
Một tuabin khí hydro có thể điều chỉnh linh hoạt theo sự biến động của nguồn cung cấp và giá cả nhiên liệu, đồng thời có khả năng chống mài mòn, mài mòn và dao động cao là kết quả của sức mạnh tổng hợp của nhiều công nghệ, được thể hiện trong hiệu suất của nó.
3. Sản xuất điện 100% hydro - đạt được một tuabin khí đốt hydro hoàn chỉnh
Giấc mơ về một xã hội không có CO2 - sản xuất nhiệt điện 100% hydro
Các giá trị dưới đây là lượng phát thải trên một đơn vị biểu thị lượng khí thải CO2 khi tạo ra 1kWh điện.
Sản xuất nhiệt điện than tiêu chuẩn:
863g-CO2 / kWh
Sản xuất nhiệt điện than siêu siêu tới hạn (USC):
820g-CO2 / kWh
GTCC phát điện:
340g-CO2 / kWh
Tua bin khí đốt hỗn hợp hydro 30%:
305g-CO2 / kWh
Vì Mitsubishi Power đã thành công trong việc sản xuất điện đốt hỗn hợp ở 30% hydro, nên mục tiêu tiếp theo của Satoshi Tanimura là sản xuất điện không có CO2 hoặc công nghệ sản xuất điện 100% hydro. Tuy nhiên,
nồng độ hydro cao, nguy cơ hồi tưởng sẽ tăng lên, cũng như nồng độ NOx. Lò đốt để sản xuất điện bằng hydro đòi hỏi công nghệ cho phép trộn hydro và không khí hiệu quả, đồng thời quá trình đốt cháy ổn định.
Tanimura nói: “Có những điều kiện quan trọng liên quan đến sự hòa trộn của hydro và không khí. “Rất khó để trộn hydro và không khí trong một không gian rộng lớn, và việc sử dụng dòng điện quay và trộn đều chúng đòi hỏi một không gian khá lớn. Đây là điều đẩy nguy cơ hồi tưởng lên cao. Để trộn hydro và không khí trong một khoảng thời gian ngắn, nó phải được thực hiện trong một không gian hạn chế nhất có thể. Vấn đề là trong trường hợp này, vòi phun nhiên liệu và ngọn lửa ở gần nhau hơn, làm cho khả năng hồi tưởng ngày càng tăng. Chúng tôi đã nghĩ về cách giải quyết vấn đề này, và chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi cần phải phân tán ngọn lửa và giảm kích thước hạt phun nhiên liệu. Công nghệ quan trọng của phương pháp này là vòi phun phân phối nhiên liệu. Chúng tôi đã nâng cấp thiết kế, thường có tám vòi phun và tạo ra thiết bị đốt phân tán hoặc đốt nhiều cụm, kết hợp nhiều vòi phun. Chúng tôi giảm kích thước của lỗ mở vòi phun và không khí vào, sau đó phun hydro và trộn chúng. Vì phương pháp này không sử dụng dòng điện quay, nên có thể trộn ở quy mô nhỏ hơn và quá trình đốt cháy NOx thấp có thể được thực hiện ”.
Hydro là một nhiên liệu tuyệt vời, nhưng khó xử lý. Thay đổi tư duy trong phương pháp trộn bằng cách nâng cấp vòi phun. Đó là loại thách thức mà các kỹ sư đang phải vật lộn trong chiến trường phát triển.
Tạo ra chuỗi cung ứng nhiên liệu hydro làm cầu nối cho tương lai
Chỉ một tuabin khí là không đủ để đạt được công nghệ đốt cháy 100% hydro. Nguồn hydro ổn định phải được đảm bảo. Xem xét nguồn cung cấp và cách vận chuyển hydro đến Nhật Bản không có đường ống; phát triển công nghệ tách hydro từ nguồn nguyên liệu, cũng như công nghệ thu gom và giữ lại CO2 thải ra trong quá trình này. Cơ sở hạ tầng hydro như vậy phải trưởng thành cùng với sự phát triển của công nghệ đốt hydro.
Tanimura cho biết: “Chỉ đơn giản là tăng hiệu suất tuabin khí không nhất thiết dẫn đến nâng cao hiệu suất tổng thể,” Tanimura cho biết khi có quan điểm toàn diện về việc sử dụng hydro trong thực tế. “Ở Nhật Bản, chúng tôi chỉ đơn giản giả định rằng chúng tôi sẽ vận chuyển hydro từ nước ngoài và sử dụng nó trong ngành công nghiệp và xe chạy bằng pin nhiên liệu. Trong khi đó, có một kế hoạch chi tiết ở nước ngoài từ giai đoạn cung cấp hydro thông qua để sử dụng, bao gồm cả sơ đồ CCS để xử lý CO2 thải ra trong quá trình sản xuất. Ở châu Âu, với lợi thế là đường ống dẫn khí đốt tự nhiên hiện có của họ đang được phát triển tốt, họ đang tiến hành sử dụng hydro đồng thời có cái nhìn tổng thể về nguồn cung cấp, coi đó là một phần của cơ sở hạ tầng tổng thể, ”ông nói.
Là các kỹ sư phát triển tuabin khí, Tanimura và các đồng nghiệp của ông hiểu rõ sự cần thiết của một kế hoạch sử dụng hydro toàn diện. Tanimura nói: “Ở Nhật Bản, vì chúng tôi không có đường ống phát triển nên việc vận chuyển hydro là một vấn đề lớn. “Hiện tại, đã có các chương trình khai thác hydro từ năng lượng tái tạo, dầu mỏ và khí tự nhiên. Nếu năng lượng tái tạo, được coi là không ổn định, được chuyển đổi thành hydro, thì việc lưu trữ và vận chuyển năng lượng trở nên khả thi, đó là một lợi ích to lớn. Ngày nay, hydro lỏng, metyl xyclohexan (MCH) và amoniac (NH3) được coi là những phương tiện vận chuyển hydro hứa hẹn nhất và nếu nhu cầu tăng hơn nữa, chúng ta sẽ thấy lợi thế quy mô cũng xuất hiện trong vận tải, ”Tanimura nói.
Các kỹ sư tuabin khí chịu trách nhiệm về mọi thứ, từ sản xuất đến chi phí. Tanimura nói: “Chúng tôi cần một tầm nhìn về việc sử dụng hydro, bao gồm mọi thứ, từ việc tạo ra cơ sở hạ tầng đến các phương pháp sử dụng khác nhau. “Ví dụ, hỗn hợp nhiên liệu 20% hydro có thể được sử dụng mà không cần bất kỳ cải tiến công nghệ nào và nếu chúng tôi sử dụng tuabin khí có công suất đầu ra là 500MW và đánh giá hiệu suất tuabin là 60, thì cần 1,4 tấn hydro mỗi giờ. Điều này tương đương với khối lượng hydro được sử dụng bởi khoảng 100.000 đến 130.000 xe chạy bằng pin nhiên liệu. Nếu chúng ta muốn tiếp tục sử dụng hydro một cách nghiêm túc, thì chúng ta bắt buộc phải nhanh chóng nâng cấp cơ sở hạ tầng hydro, thông qua các biện pháp như chủ động tăng số lượng tua-bin sử dụng hydro. Đây là một lý do khác khiến các tuabin khí hydro sẽ thúc đẩy xã hội hydro sắp tới, ”ông nói.
Con người đã phát hiện ra lửa và bắt đầu sử dụng nó một cách có mục đích cách đây khoảng 500.000 năm. Và bây giờ chúng ta sắp có được công nghệ đốt không khí CO2 sẽ biến thành năng lượng hỗ trợ xã hội.
Tanimura và các đồng nghiệp của ông vẫn nỗ lực để đạt được công nghệ đốt cháy 100% hydro vào năm 2025.
Satoshi Tanimura
Kỹ sư trưởng, Quản lý cấp cao
Phòng kỹ thuật tuabin khí khung lớn
Mitsubishi Power, Ltd.
Một chuyên gia trong lĩnh vực phát triển thiết bị đốt tuabin khí, từ thiết kế cơ bản đến điều chỉnh quá trình đốt cháy, trọng tâm của ông tại Mitsubishi Power. Gia nhập Mitsubishi Heavy Industries năm 1986 và được bổ nhiệm vào Phòng Kỹ thuật Tuabin khí, nơi ông theo đuổi việc phát triển các thiết bị đốt tuabin khí quy mô lớn và cũng là một kỹ sư. Làm việc trên sự phát triển của lò đốt tuabin khí 1300 và các nỗ lực hàng đầu để phát triển công nghệ NOx thấp cho các mô hình 1500 ℃ - và 1600 ℃.
