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中国航发燃机:欧盟燃气轮机技术发展及减排目标

2021-11-16 14:05 北极星电力网

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译者案:

当今世界各地的能源系统正在发生根本性的变化,随着越来越多的国家承诺到本世纪中期实现碳中和。燃气轮机在未来能源系统中作为调峰电力和热源将发挥关键作用。中国航发燃机瞄准世界燃气轮机技术和氢能技术发展方向,充分发挥燃气轮机在能源转型中的战略作用,对欧盟燃气轮机技术、政策、目标进行了深入研究,并编译了本文,以期对燃气轮机在能源转型中提供可靠的实践依据。

燃气轮机在能源转型中的战略作用

虽然全球可再生能源的份额将继续增长,但预计燃气发电将继续发挥战略作用。目前,作为全球最大的天然气消费行业,基于燃气轮机的发电提供了一种可靠、经济高效且可调度的电源,可提供有价值的脱碳选项。

在向完全脱碳能源系统过渡的过程中,燃气轮机发电站的作用将随着可再生能源发电的份额变得主导而发生变化:它们将在风能和太阳不稳定时用来调峰,从而确保电力供应和电网稳定性。

此外,由于风能和光伏能源不会为工业过程或区域供热,热能市场对投资将变得极具吸引力。高效灵活的燃气轮机发电厂已经为碳密集型化石燃料提供了一种可调度的替代方案,并为工业过程或城市地区提供必要的热量,实现高达90%的能源效率。

因此,燃气轮机发电将通过全年提供稳定的电力和热力供应,在能源转型中发挥重要作用,这在主要能源系统转型取代煤电或核电的过程中尤为重要。一些国家目前正在经历这样的变化例如德国,分别在2023年和2038年逐步淘汰其核电和煤电;比利时,到2025年关闭其核电站;和波兰,面临将替代其电力结构中约80%的煤炭高份额。

此外,逐步开发并提供负担得起的改造解决方案,以提高现有燃气轮机设备在运行范围内的效率,并扩大其燃料灵活性,从而允许使用越来越多的可再生燃料组合。这些解决方案将对工业、石油和天然气以及发电市场的用户具有吸引力,以实现他们的二氧化碳减排目标并支持能源转型。

超越

燃气轮机是保障供应安全的可持续投资,目前使用天然气,未来使用绿色替代品,如氢气、合成甲烷或其他绿色燃料。政策制定者最重要的是提出一项雄心勃勃的计划,以加快混合气体中氢气的混合量,以满足电力部门对氢气不断增长的需求。这一旅程已经从工业涡轮机中的氢气混合开始,由于其体积小,燃烧的氢气量更小,而且已经可用并且得到了原始设备制造商承诺到2030年开发100%氢气燃气轮机的进一步支持。这需要对安全涡轮技术、燃烧系统、泄漏检测、安全系统、储氢和基础设施准备情况进行研发。

该行业还依赖燃气轮机进行机械驱动应用或分散式灵活发电和发热。今天用于石油和天然气生产或在运输管道系统中驱动大型压缩机的燃气轮机将受益于向氢经济的过渡。得益于先进的燃烧系统,他们将能够处理高达 100% 氢的任何氢燃料混合物,并参与工业脱碳。

能源系统脱碳政策框架

2016年11月4日,具有法律约束力的气候变化国际条约《巴黎协定》生效,加强了全球能源向低碳能源系统转型的努力和政策。五年后的2021年,国家自主贡献将被修订,我们应该期待签署协议的197个国家提高各自要求。根据IEA(国家能源署)的可持续发展情景预测,制定目标的必要性变得清晰起来,该预测概述了发电所需的碳强度降低,从463克CO2/千瓦时 (gCO2/kWh) 降至2019年到2055 年左右三净值低于零。虽然许多研究得出结论,这在技术和经济上都是可行的,但需要一条清晰的轨迹线来减轻不确定性并刺激进一步的投资。所以,这些脱碳目标需要一个战略性地面向长期目标的有利政策框架,为新的电力市场设计和对新技术和新能源系统的公共投资提供途径。

事实上,人们一致认为技术的开发、转移、部署和规模化将在能源转型中发挥关键作用。在最新的一份报告中,国际能源署强调,实现净零排放不仅需要更多地部署现有技术,如可再生能源,还需要更多地部署目前正在开发的其他清洁能源解决方案,如更多地应用氢和碳捕集与封存 (CCS)、碳捕集与利用 (CCU) 以及低二氧化碳(CO2)排放技术将必不可少。

向网络中立过渡,确保发电和工业过程安全、可靠和可持续。

发送适当价格信号的碳排放率将有助于激励对低碳技术和发电的投资。欧洲的碳定价政策将欧盟排放交易体系 (EU ETS)(一项广泛的限额与交易计划)与目前已实施或正在制定的国家碳税(法国、英国和斯堪的纳维亚国家)相结合。随着新的国家贸易系统的启动、其他系统的改革以及联合国努力完成一套国家间贸易的指导方针,预计未来几年全球碳市场格局将发生巨大变化。

欧盟已明确提出其在应对气候变化方面处于全球领先地位的目标,并通过欧洲绿色协议设定了一些世界上最雄心勃勃的碳减排目标,逐步旨在到 2050 年使欧盟气候中和。交易包括对环保技术的投资、能源部门的脱碳以及支持私营部门的创新努力等行动。在详述其 2050 年的长期战略时,欧盟概述了具有法律约束力的 2030 年实现碳中和扶持政策的垫脚石,其中涉及 CCS、氢气和天然气生产氢气等主题。

欧盟2030年的主要目标

1.比1990年的水平至少减少55%的排放量;

2.参考目前能源效率至少提高32.5%;

3.可再生能源占欧盟最终消费总量的至少32%;

4.至少15%的成员国已安装的电力生产互连。

为了实现这些目标,所有部门都采用了系统和综合的方法。从能源系统整合战略、氢战略和甲烷战略(将减少甲烷排放作为优先举措之一)等战略,到市场和金融工具,如可持续金融和碳边界调整机制,欧盟正在创建一个持久的可持续框架。

在内部市场监管最紧迫的项目中,值得一提的是即将更新欧盟排放交易体系,该体系还应包括工业和电力部门的低碳融资机制,以及可持续金融分类法的修订版。这些政策将得到碳边界调整机制的补充,旨在保持欧洲工业和运营的竞争力,同时将欧洲的气候雄心外部化。除了这些举措之外,预计在2021年底之前对工业排放指令的审查可能会提高空气污染方面的最低性能标准,同时考虑到氢气混合的影响,并审查最佳可用技术的效率。

此外,旨在确保更强的投资者确定性、更大的透明度、增强的政策一致性和改善整个欧盟协调的新政策是可以预期的。这些应该为能源系统的竞争力和安全性、供应多元化和欧盟国家之间的互联能力提供新的指标。它们还应该得到一个新的治理体系的补充,该体系基于欧盟共同方法具有竞争力、安全和可持续能源的国家计划。

其次,为创新低碳技术的商业示范制定了大量资金计划。创新基金(将在2020年至2030年之间提供超过100亿欧元的支持)或公正过渡机制等计划是将政策和立法目标转化为现实的基础。

这些目标和政策旨在帮助欧盟实现更具竞争力、更安全和更可持续的能源体系,并实现其雄心勃勃的2050年欧盟碳中和长期目标。然而,欧盟委员会将在2021年7月之前提出一项新的立法提案,使政策适应到2030年温室气体排放量比1990年减少55%的目标。

将燃气轮机技术集成到能源系统中燃气轮机是一种既经济又环保的可行且安全的发电和供热选择。在未来的能源情景中,风能和太阳能的可再生能源将发挥比过去更重要的作用,但这样将加剧对天气的依赖。由于这些资源提供波动的不可控电力,因此必须拥有额外的可控电力生产技术,以补偿可变电力生产,从而保持电力生产和消费之间的平衡。即使大型蓄电系统在未来变得经济可行,仍需要灵活的可控发电技术,如燃气轮机发电厂,以提供足够的发电能力,以维持电网稳定和电力供应安全。

间歇性可再生能源份额的增加正在改变发电模式。考虑到从微型燃气轮机(MGT)到大型燃气轮机(LGT)的整个燃气轮机组合,可以通过负载吸收电网中依赖气候的电源的波动来支持将可再生能源集成到能源系统中调平和按需发电以及使用任何类型的合成气(power-to-X)应用。燃气轮机应用由于其燃料灵活性而提供高RES利用率和能源供应安全性,将为在电网中全面部署RES并最终实现能源系统的脱碳作出重大贡献。

低碳、需求响应和储能技术的快速改进可以带来更智能、更高效和更安全的能源系统。然而,要充分发挥其潜力需要新的政策和监管方法。电制气技术还可以提供大量可再生或低碳氢和/或合成天然气 (SNG),因此有必要对燃气轮机进行改造以备将来使用。因此,燃气轮机是目前实现减排发电和发热的重要杠杆。

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