Чтобы обеспечить работу малых электростанций, работающих на природном газе, в преддверии водородной экономики, Немецкий центр авиации и космонавтики (DLR) и Power Service Consulting (PSC) протестировали способ сжигания микротурбинами водорода, газа или и того, и другого.
Поскольку мы стремимся к декарбонизации производства энергии, зеленый водород был предложен в качестве возможной климатически безопасной альтернативы сжиганию природного газа. Конечно, в настоящее время у нас нет зеленой водородной экономики, чтобы поддерживать такие вещи, и могут пройти годы, прежде чем это произойдет, если это вообще произойдет. Но даже в этом случае строительство совершенно новых электростанций является очень дорогим предприятием.
По словам Питера Кутне, руководителя отдела газовых турбин в Институте технологий сгорания DLR, который исследует, как водород может использоваться в газовых турбинах, чтобы они работали с гораздо меньшими выбросами, «строительство новой 15-мегаваттной газотурбинной электростанции занимает около шести лет и стоит около 30 миллионов евро (31 миллион долларов США). С другой стороны, модернизация существующей станции занимает всего полтора года и стоит примерно одну десятую этой суммы».
Пилотная установка модернизацииDLR
Имея это в виду, DLR и PSC продемонстрировали то, что, как утверждается, является первой коммерчески жизнеспособной модернизацией коммерческой газовой микротурбины, которая позволяет ей работать как на водороде, так и на природном газе, как способ подготовиться к тому дню, когда зеленый водород станет широкодоступным.
Проект Retrofit H2 использовал микротурбины с выходной мощностью около 100 кВт, отчасти из-за их лучшего соотношения мощности к весу. Они также широко используются для производства электроэнергии в отдаленных районах, а также для таких приложений, как резервное питание для больниц: отопление отелей, бассейнов и гостиниц. Кроме того, микротурбины такой выходной мощности могут обеспечивать электроэнергией такие места, как пивоваренные заводы или очистные сооружения, которые могут использовать свой отработанный метан в качестве топлива.
Проблема в том, что сжигание водорода в газовой турбине похоже на заливку бензина в дизельный двигатель. Это просто два разных животных, и результаты самые неприятные. Водород горит гораздо жарче, чем природный газ, и имеет гораздо более низкую температуру вспышки, поэтому он может легко разрушить камеру сгорания микротурбины своим теплом и ударной волной.
Схема перенастроенной камеры сгоранияDLR
Чтобы предотвратить это, инженеры разработали горелку со стабилизированной струей, оптимизированную для водорода. В отличие от обычной компоновки, воздушные и топливные инжекторы установлены в кольце, которое создает обратный поток в камере, который выталкивает выхлопные газы обратно для смешивания с новой воздушно-топливной смесью. Это снижает температуру, уменьшает выбросы азота и стабилизирует пламя.
Кроме того, новая конструкция позволяет микротурбине сжигать водород, природный газ или их смесь (пока зеленый водород не станет более доступным) благодаря новой регулируемой системе управления и технологии безопасности. До сих пор система работала на пилотной установке в Лампольдсхаузене на чистом водороде около 100 часов.
«Высокая химическая реактивность водорода представляет особую сложность», — сказала исследователь DLR Мартина Хохлох. «Он имеет скорость пламени примерно в 10 раз больше, чем природный газ, а энергия воспламенения ниже во столько же раз. Это затрудняет безопасное сжигание. При разработке горелки мы должны были гарантировать, что пламя не будет вспыхивать обратно в сопла горелки и повреждать их».
«Мы с нетерпением ждали, как турбина будет работать с новой системой камеры сгорания за пределами лабораторных условий», — продолжила Хохлох. «Испытания показали, что мы можем без проблем запускать систему с чистым водородом, и что система достигает полного рабочего диапазона от частичной до полной нагрузки. Наша пилотная установка выдавала полную электрическую мощность в 100 киловатт в течение нескольких часов».
