Mitsubishi Power разрабатывает газотурбинную установку, работающую на аммиаке

[blastbeat]

Mitsubishi Power разрабатывает газовую турбину класса 40 МВт, которая может напрямую сжигать 100% аммиак, в рамках инициативы, которая отвечает возросшим глобальным амбициям по декарбонизации, а также дорожной карте Японии по производству аммиачного топлива.

Компания по производству энергетического оборудования со штаб-квартирой в Иокогаме, дочерняя компания Mitsubishi Heavy Industries (MHI), 1 марта заявила, что нацелена на коммерциализацию новой газовой турбины, работающей на аммиаке, которая будет создана на базе серии H-25 к 2025 году.

«Это будет первая в мире коммерческая газовая турбина, которая будет использовать в качестве топлива исключительно аммиак», - заявили в компании. Газовая турбина будет «способствовать декарбонизации малых и средних электростанций для промышленного применения [и] на удаленных островах», - говорится в сообщении.

Прямое сжигание аммиака в газовой турбине
- новое направление для Mitsubishi Power. В рамках кампании «Change in Power» («Изменение в энергетике») Mitsubishi Power возглавляет разработку технологии декарбонизации, предназначенной для флагманской линейки передовых газовых турбин, и на сегодняшний день она добилась поразительных успехов.

В ответ на базовую водородную стратегию Японии компания в 2018 году приступила к разработке большой газовой турбины, способной сжигать 100% водорода.

Mitsubishi Power продолжает работу над пилотным проектом по переоборудованию одного из трех блоков - газовой турбины M701F мощностью 440 МВт - на электростанции комбинированного цикла Vattenfall мощностью 1,3 ГВт Magnum в Нидерландах  для возобновляемого водорода к 2023 году.

В тоже время компания Mitsubishi в марте 2020 года заключила свой первый контракт на две водородные силовые установки M501JAC для замены угольных блоков, построенных в 1986 году, на проекте Intermountain Power Project (IPP) мощностью 1800 МВт (штат Юта).

В сентябре 2020 года компания запустила два стандартных пакета по водородной интеграции Hydaptive, ориентированный на площадку электростанции, от электролизеров до газовых турбин, и Hystore, который разрабатывает хранение водорода. И в том же месяце компания получила больше контрактов на водородные мощности от разработчиков газовых электростанций в Вирджинии, Огайо и Нью-Йорке, а также с Entergy Corp. В декабре канадский производитель электроэнергии Capital Power заказал две турбины M501JAC для перевода энергоблоков 1 и 2 в Альберте с угля на природный газ.

Компания Mitsubishi Power заявила, что, поскольку ее модель газовой турбины M501JAC объединяет технологию камеры сгорания для устранения обратного воспламенения (обратного пламени), колебаний давления сгорания и выбросов оксидов азота (NOx), модель J-серии уже способна сжигать смесь природного газа и 30% водорода. Чтобы получить 100% водород, разработчики технологий сейчас изучают технологию камеры сгорания, которая позволяет эффективно смешивать водород и воздух с помощью усовершенствованной конструкции форсунок для подачи топлива. Генеральный директор Mitsubishi Power Americas Пол Браунинг сообщил, что компания нацелена на разработку технологии 100% сжигания водорода к 2025 году.

Однако в тандеме Mitsubishi Power (и MHI) также изучают газотурбинные системы, использующие аммиак в качестве энергоносителя. С 2017 года в рамках Стратегической программы продвижения инноваций Кабинета министров Японии и Японской организации по развитию новых энергетических и промышленных технологий (NEDO) компания сосредоточила усилия на разработке системы, которая термически расщепляет аммиак (NH 3 ), используя отходящее тепло, водород и азот, а затем сжигает этот водород в газовой турбине.
Этот подход лучше подходит для небольших газовых турбин из-за особых характеристик, связанных со сжиганием аммиака. Например, аммиак имеет низкую скорость сгорания, поэтому ему требуется камера сгорания гораздо большего размера. А поскольку аммиак содержит азот, любая система, использующая его в качестве топлива, должна будет бороться с «топливными NOx», которые он генерирует. Mitsubishi Power исследовала снижение NOx за счет двухступенчатого сжигания, но сообщила, что газовые турбины большего размера создают «много технических проблем, таких как увеличение размера и усложнение работы камеры сгорания».

Однако на этой неделе было объявлено о разработке газовой турбины мощностью 40 МВт, способной работать на аммиаке, но это предполагает, что Mitsubishi Power переосмысливает многоступенчатый крекинг аммиака, чтобы изучить «метод прямого сжигания аммиака».

Для решения проблемы образования NOx, которое вызывается окислением азотного компонента аммиака при его сгорании, коммерческая газотурбинная система компании будет сочетать селективное каталитическое восстановление (SCR) с «недавно разработанной камерой сгорания, которая снижает выбросы NOx» , - говорится в сообщении. Затем эта система будет установлена в газовых турбинах компании серии H-25 (рис. 1), модели, которую Mitsubishi Power продает коммунальным и промышленным предприятиям с 1988 года.

1. Газовые турбины Mitsubishi Power серии H-25 - это сверхмощные турбины, которые могут достигать высокой эффективности при использовании парогенераторов с рекуперацией тепла, таких как когенерационные системы или электростанции комбинированного цикла. Серия H-25 имеет мощность газовой турбины простого цикла 41 МВт, мощность комбинированного цикла 60 МВт для конфигурации 1 × 1 и 120 МВт для конфигурации 2 × 1. По словам Mitsubishi Power, при использовании когенерации они производят 70 метрических тонн пара в час.
Аммиак вызывает интерес в качестве топлива.

Как отмечает Mitsubishi Power, коммерциализация газовой турбины, работающей на аммиаке, «расширит» ее модельный ряд «безуглеродных систем выработки электроэнергии». Это говорит о том, что рынок для этого продукта формируется: «Ожидается, что быстрое внедрение оборудования для производства энергии на основе аммиака в энергетических компаниях и независимых поставщиках энергии (IPP) будет способствовать использованию аммиака в будущем в качестве безуглеродного топлива», - говорится в сообщении.

Эти усилия связаны с недавним возрождением интереса к возможности использования аммиака в качестве декарбонизированного топлива, поскольку его сжигание не приводит к образованию углекислого газа, диоксида серы или сажи. Интерес к аммиаку возрастает также из-за его потенциала в качестве эффективного энергоносителя, поскольку он имеет высокую плотность водорода (17,8 мас.%). Аммиак, являясь вторым по величине производимым химическим веществом (после серной кислоты) в мире, сегодня в основном используется в качестве сельскохозяйственных удобрений, а также при производстве продуктов питания, промышленных материалов, хладагентов и добавок, что означает, что он имеет хорошо налаженную глобальную дистрибьюторскую сеть. Также он считается стабильным при длительном хранении и транспортировке.

Возможности применения аммиака в энергетическом секторе изучаются на протяжении нескольких десятилетий. Однако получение энергии из аммиака было ограничено различными проблемами. «Одна проблема заключается в том, что аммиак токсичен и легко воспламеняется», - отметили в MHI. «И хотя существуют соответствующие стандарты и процедуры, необходимые навыки обращения обычно не известны за пределами секторов, которые уже используют аммиак и его производные».

Еще одна важная проблема заключается в том, что «производство зеленого водорода путем электролиза с использованием возобновляемой электроэнергии еще не является жизнеспособным по сравнению с обычным ископаемым сырьем, и, следовательно, производство зеленого аммиака тоже не является жизнеспособным», - заявили в компании. Однако, хотя сегодня большая часть аммиака производится из природного газа, в настоящее время реализуется несколько инициатив по производству «возобновляемого» аммиака путем преобразования «зеленого» водорода в аммиак.

MHI проявляет заметную активность в этом направлении. В ноябре компания объявила об инвестициях в Hydrogen Utility (H2U), австралийского разработчика экологически чистых водородных и аммиачных проектов, заявив, что поддержит предварительные инженерные и дизайнерские исследования для проекта H2U Eyre Peninsula Gateway в Южной Австралии, который планирует начать коммерческое производство «зеленого» водорода и аммиака в 2023 году.

В ноябре MHI также завершила капитальные вложения в Monolith Materials, американскую фирму, которая может обеспечить производство водорода и технического углерода из метана. Компания Monolith Materials, которая уже управляет предприятием по производству технического углерода Olive Creek 1 в Небраске, планирует начать эксплуатацию второго предприятия по производству «голубого» водорода с помощью технологии пиролиза, использующей возобновляемые источники энергии в качестве источника тепла. Между тем, ранее в феврале этого года MHI объявила об очередных инвестициях в пиролиз метана в рамках раунда финансирования серии A для стартапа C-Zero.
Япония наращивает производство аммиака.

Растет также интерес к тому, как будет использоваться «зеленый» аммиак. Несколько стран заявили о намерениях интегрировать аммиак в будущую энергетическую систему, в том числе в качестве топлива для топливных элементов и двигателей внутреннего сгорания. Япония, которая играет ведущую роль в этих усилиях, считает, что производство энергии на основе аммиака будет играть существенную роль. В обновленном обзоре стратегии «зеленого» роста, выпущенном Министерством экономики, торговли и промышленности Японии (METI) в феврале этого года, например, предполагается, что «производство электроэнергии полностью на аммиаке» может быть продемонстрировано к 2045 году. Соответствующая дорожная карта (Рисунок 2) также предусматривает расширение цепочки поставок аммиака, которое превратит страну в регионального экспортера аммиачного топлива.

Совместное сжигание аммиака и угля было продемонстрировано в Японии, сначала компанией Chugoku Electric в июле 2017 года  на энергоблоке 2 ТЭС Мидзусима мощностью 156 МВт с топливной смесью, содержащей от 0,6% до 0,8% аммиака; а затем компанией IHI. Corp. в марте 2018 года на «крупнотоннажном объекте сжигания» в городе Айой с топливной смесью 20% аммиака. Другая японская компания JERA в ноябре объявила о планах на закрытие к 2030 году всего парка сверхкритических угольных электростанций мощностью 2,2 ГВт, а затем постепенного увеличения соотношения смешанного сжигания ископаемого топлива с аммиаком и водородом на станциях сверхсверхкритического сжигания.

Но, несмотря на то, что производство электроэнергии на основе аммиачного топлива на базе турбин было введено в середине 1960-х годов, а в 1990-х годах относительно возродилось, оно не было принято в качестве единственного топлива для турбин. Прорыв в Японии произошел в 2016 году, когда исследовательская группа под руководством Хидеаки Кобаяши, профессора Института гидродинамики Университета Тохоку в Сендае, продемонстрировала сжигание аммиака в воздухе с использованием микрогазотурбинной системы мощностью 50 кВт в Национальном институте перспективной промышленности наук и технологий. В камере сгорания использовалось газообразное топливо NH3 и диффузионное сгорание для повышения стабильности пламени.

Между тем, хотя усилия Mitsubishi Power по коммерциализации газовой турбины, на 100% работающей на аммиаке, примечательны, у компании уже есть конкуренты. В октябре 2020 года компания IHI Corp. начала испытания газовой турбины мощностью 2 МВт на заводе в Йокогаме (рис. 3), используя в качестве топлива «голубой» аммиак, полученный из природного газа.


2. Установка для испытаний газовой турбины с совместным сжиганием аммиака на заводе IHI Corp. в Йокогаме.

Проект направлен на повышение коэффициента совместного сжигания аммиака до 50% на основе теплотворной способности. Процесс производства аммиака из природного газа влечет за собой улавливание выбросов углекислого газа с использованием их для увеличения нефтеотдачи, а также для улавливания и утилизации углерода. Компания отметила, что проводит испытания газовых турбин в рамках программы, возглавляемой Японским институтом экономики энергетики и Saudi Aramco Oil Co., которая направлена ​​на демонстрацию осуществимости цепочки поставок голубого аммиака.

Источник: leg.co.ua