חלופות דלק חדשניות למפעלי חשמל מסורתיים ודור הבא

הנוף האנרגיה הגלובלי עובר טרנספורמציה בסיסית כמו גנרטורים כוח המבקשים ליישב הביקוש לחשמל עולה עם הצורך לקצץ פליטות פחמן. צמחי גז מסורתיים באש פחם טבעי, אשר יצרו את עמוד השדרה של כוח מעמסה אמין, הם נסוגים או repurpose to לשרוף מאגרי פחמן נמוכים. במקביל, עיצובי כוח הדור הבא נבנות מן הקרקע כדי להפעיל את המזהמים הקיימים, כמו גם את פליטות גזי החממה, מבטיחות גזים.

צמחים מסורתיים ושילוב דלק חלופי

צמחי כוח קיימים, במיוחד אלה המיועדים לגז טבעי או פחם, מייצגים השקעה מסיבית של השמש בתשתיות אנרגיה. במקום להשפיל אותם מוקדם יותר, מפעילים רבים הם קושרים או מתמירים לחלוטין לדלקים חלופיים. גישה זו משמרת אמינות רשת תוך צמצום עוצמת הפחמן של ייצור חשמל.

Biomass Co-Fireing and Dedicated Conversion

ביומסה כוללת מגוון רחב של הזנות אורגניות, כולל אגן עץ, שאריות חקלאיות, גידולי אנרגיה ואפילו אצות גדולות תכליתיות. כאשר נשרף, הביומסה משחררת פחמן דו חמצני, אבל CO2 הוא חלק ממחזור פחמן לטווח קצר: הצמחים קלטו אותו מהאווירה במהלך הצמיחה.

(FLT:0)Wood pelletsFLT:1 מן היערות מנוהלים באופן מלא הם הדלק הביומסה הנפוץ ביותר עבור תחנות כוח.הם ניתן להיות מורעב עם פחם ברתיחה קיימת עם שינויים מינימליים, או בשימוש כדלק יחיד ביחידות מומרידות. לדוגמה, תחנת הכוח Drax בבריטניה הפכה כמה יחידות פחם שלה, אשר מופעלות על ידי דחיסות מלאה של 80%, לכדי דחיסות פחם.
(FLT:0) שאריות חקלאיות של FLT:1 כגון תנור תירס, זקיצות אורז, ושקית סוכרקני מציעים מסלול פסולת לאנרגיה המפחית גם את פליטות המתאן משריפת או מתפוררות פתוחה.
(FLT:0) יבולי יבולים אדרבאנץ 1 (FLT) כמו ערפל, מתגים, וגזר קצר גדלים במיוחד עבור דלק.הם דורשים פחות דשן מאשר יבול מזון ניתן לקציר מדי שנה, מתן אספקת דלק יציבה.עם זאת, תחרות שימוש בקרקע וצריכה מים להישאר חששות.

למרות היתרונות, הביומסה מתמודדת עם אתגרים: זמינות הזנה ומחזוריות, תוכן לחות גבוה יותר להפחית יעילות הבעירה, ואת הצורך בטיפול דלק נוסף תשתיות אחסון. יתר על כן, נייטרליות הפחמן של ביומסה הוא דיון חם, כמו פליטות מיבול, עיבוד, תחבורה יכול לקלקל את היתרון הנקי.

פסולת-to-Energy: להפוך את טרש לעוצמה

פסולת מוצקה עירונית מכילה תערובת של חומרים אורגניים, פלסטיק, נייר וטקסטיל, אשר לכל אחד מהם יש ערך קלורי.פסול-to- Energy צמחים incinerate הפסולת הזו בתנאים מבוקרים כדי לייצר קיטור לייצור חשמל מבוסס טורבינות.מתקנים מודרניים מעסיקים טיפול פלוג גז מתקדם כדי למזער את זיהום האוויר, כולל dioxins, פרוות, מתכות כבדות.

(FLT:0) חומרים רבי-שור צרים (Mass-burn IncinerationFIRLT:1) היא הטכנולוגיה הנפוצה ביותר, שבה פסולת נשרף כפי שהתקבל.It can להתמודד עם כמויות גדולות אך דורש מיון זהיר כדי להסיר פריטים מסוכנים או בלתי-מבולבלים.
(FLT:0) Refuse-derived דלקFigal ReFIRLT:1) כרוכה בבזבוז עיבוד כדי להסיר את מיחזור ולא-מזהמים, לייצר דלק הומוגני יותר עם ערך חימום גבוה יותר.
(FLT:0) אנאירובי עיכולFLT:1 של פסולת אורגנית מייצרת ביוגז (בעיקר מתאן ופחמן דו-חמצני), שניתן לנקות אותו גז טבעי מתחדש באיכות צינורות נשרף טורבינות גז.

אנרגיה פסולת-לאנרגיה מפחיתה את נפחי האגרה ואת פליטות המתאן תוך יצירת חשמל.עם זאת, עלויות ההון גבוהות, התנגדות ציבורית לחיסון נמשכת, ואת הבעירה של פלסטיק משחרר פחמן דו חמצני מאובנים.טכנולוגיות חדשות כגון גזיפיקציה ופירוריזה מבטיח יעילות גבוהה יותר ופליטות נמוכות יותר, אך הן נשארות בשלב מוקדם יותר של פריסה מסחרית.

הידרוגן מתמזג בצמחי גז טבעיים

צמחי גז טבעיים משולבים מחזור הם בין הצמחים היעילים ביותר של כוח דלק מאובנים, אבל הם עדיין פולטים CO2. על ידי שילוב מימן לתוך אספקת הגז הטבעי, מפעילי יכולים להפחית את התוכן פחמן של הדלק תוך שימוש טורבינות גז קיימות עם שינויים קלים. פרויקטים מוקדמים הראו תערובת של עד 20% מימן על ידי נפח ללא שינויים משמעותיים כדי קידוד דינמיות.

(FLT:0)Grey מימןFLT:1 מרפורמת אדים מתאן הוא הזול ביותר אך משחרר CO2 במהלך הייצור.בלגה מימן אפור מציע פחמיון מוגבל אלא אם כן בשילוב עם לכידת פחמן ואחסון.
(FLT:0) מימן כחול מימןFLT:1) משתמש ברפורמת קיטור עם לכידת פחמן, השגת 60-90% CO2 הסרת.זה יכול להיות דלק גשר עד מימן ירוק הופך להיות רווחי.
(FLT:0) ירוק מימןFLT:1) המיוצר על ידי אלקטרוליטיזה באמצעות חשמל מתחדשים פולט פחמן במהלך הייצור.כפי עלויות אלקטרוליצר נופלות וקיבולת מתחדשת מתרחבת, מימן ירוק צפוי להיות המקור הדומיננטי למיזוג חשמל.

אתגרים למיזוג מימן כוללים את הצורך בחומרי צינורות חזקים כדי למנוע brittlement, צפיפות אנרגיה נמוכה יותר (הרחבת נפח אחסון גדול יותר ותחבורה), ואת עונש האנרגיה של ייצור מימן (50–70% יעילות עבור אלקטרוליזה). עם זאת, יצרני טורבינות גז רבים מפתחים מערכות של בעירה שיכול להתמודד עד 100% מימן, ובכך להזיז את הדרך להמרות מלאה בעתיד.

צמחים בעלי כוח מתקדמים ודלקים מתקדמים

בעוד רטרופיטינג צמחים קיימים היא אסטרטגיה לטווח קצר, מתקני כוח הדור הבא מעוצבים מאפס לפעול על דלקים שהם פחמן-ניטראלי או פחמן-שלילי.מתקנים אלה לעתים קרובות לשלב מערכות של בעירה חדשנית, טורבינות גמישה דלק, או מחזורים מתקדמים כגון CO2 קריטי או מחזור Allam-tved המונע כי הוא לכידת CO2.

ירוק הידרוגן כדלק ראשוני

מימן ירוק מיוצר על ידי פיצול מים מימן וחמצן באמצעות חשמל מתחדשים.כאשר נשרף בטורבינה גז, הוא מייצר רק מים פנויים. תחנות כוח המיועדות ל-100% של בעירות מימן נמצאים כעת בפיתוח, עם פרויקטים כגון תחנת הכוח הידרוגן בניו יורק ותחנת המגום בהולנד המובילה את הדרך.

הידרוגן יכול להיות מאוחסן במערות מלח או מעל פני השטח, המאפשר אחסון אנרגיה לטווח ארוך שמשלים משתנים מתחדשים כמו רוח ושמש.
ניתן לאתר אלקטרוליצרים בקנה מידה גדול ליד תחנות כוח, יצירת מרכזי משולב המייצרים, לאחסן ולצרוך מימן באתר.
יעילותו של ייצור חשמל ממימן דומה למפעלי מחזור טבעיים (50 עד 60 אחוזים), אך היעילות הכוללת של הסבב מחשמל למימן ובחזרה נמוכה יותר בשל אלקטרוליטיזה והפסדי דחיסה.

המכשול העיקרי הוא עלות.עלויות ייצור מימן ירוקות הן כיום 4-6/kg, בהשוואה ל-1 עד 2 / ק"ג עבור גז טבעי (בסיס אנרגיה-שווי ערך) עם זאת, כלכלות של קנה מידה, ירידה במחירי אלקטרוליטייזר (התחילה של 300–500 דולר עד 2030), וחשמל מתחדשים זול יכול להוריד עלויות ל-1.5-2.5/kg בתוך עשור, מה שהופך אותו תחרותי עם גז טבעי באזורים עם מחירי פחמן גבוהים.

אמוניה כדלק ללא פחמן

אמוניה (NH3) אינה מכילה פחמן וקלה יותר לאחסן ולעבורת מימן מכיוון שהיא מכסה בלחץ מתון (8.6 בר ב-20 מעלות צלזיוס) או טמפרטורה נמוכה (-3 °C) ניתן לשרוף ישירות טורבינות גז מותנות או בשימוש בתאי דלק (באמצעות פצח אמוניה או תאי דלק ישירות).

(FLT:0) הכפלת ה-FLT:1 ammonia נשרף עם טמפרטורת הלהבה נמוכה יותר וקצב התגובה איטי יותר מאשר מתאן, הדורש שינויים קובוס כדי למנוע התלקחות בלתי שלמה ו היווצרות NOx. לאחרונה הוכיח כי שילוב אמוניה עם מימן או באמצעות עיצובים כוויות מתקדמות יכול לייצב את האש ולהקטין את פליטות.
(FLT:0) אמוניה-to-hydrogen: אמברופול 1) ניתן לפצח חזרה למימן ולחנקן בשלב השימוש, ואז מימן נשרף.זה מוסיף מורכבות ועונש אנרגיה, אך נמנע מצורך במערכות שלבעירה חדשות.
(FLT:0) שיקולים של Environmental:FLT:1 ייצור Ammonia מסתמך כיום על תהליך Haber-Bosch, אשר צור מימן גז טבעי. ammonia המיוצר מימן אלקטרוליטי וחנקן שמקורו האוויר מציע מחזור מתחדש לחלוטין.

אמוניה יש צפיפות אנרגיה נמוכה יותר על ידי נפח דיזל או גז טבעי (כמחצית זה של methanol) אבל הוא עדיין מעשי לאחסון בקנה מידה גדול. חששות בטיחות על רעילות ופליטת NOx מטופלים באמצעות פרוטוקולים קפדניים טיפול ומערכות הפחתת קטליטי.

דלק סינתטי ממלכוד CO2

דלק סינתטי, הידוע גם בשם דלק אלקטרוני, מיוצרים על ידי שילוב פחמן דו חמצני שנתפס עם מימן שמקורו חשמל מתחדשים.הפחמנים וכתוצאה מכך (כגון מתאן סינתטי, מלנול, או דיזל פישר-טררופש) הם זהים מבחינה כימית לדלקים מאומאובנים וניתן להשתמש בהם בתשתיות צמחי חשמל קיימות ללא שינוי.

(FLT:0Synthetic methaneFLT:103) ניתן מוזרק לתוך צינורות גז טבעי נשרף בצמחים מחזוריים קיימים.התהליך הוא בערך 50% יעיל (חשמל לדלק לחשמל), אבל כאשר CO2 נלכד מהאווירה או ממקורות ביוגניים, מחזור יכול להיות פחמן-ניטראלי או אפילו פחמן-ניגטיבי אם תהליך הלכידת הוא יעיל.
(FLT:0)MethanolveFLT:1 הוא דלק נוזלי שניתן להשתמש בו טורבינות גז, בתאי דלק, או כמו הזנה לייצור כימי.יש לו צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מאשר מימן ואינו רעיל, אבל הבעירה מייצרת CO2 כי יש צורך להחזיר את הלהבה.
(FLT:0)Fischer-Tropsch דלקים 1FIRLT) מייצרים דיזל או דלק סילון שניתן להשתמש בו בגנרטורים של חשמל קונבנציונליים או טורבינות גיבוי.הם הם חלפים, אך כיום עולה 7-15 ליטר, הרבה מעל מחירי דלק מאובנים.

המכשול העיקרי לדלקים סינתטיים הוא העלות הגבוהה של לכידת CO2 (במיוחד מהאוויר) והכמויות הגדולות של חשמל מתחדשים הנדרש.לדוגמה, ייצור ליטר אחד של דיזל סינתטי דורש כ-20-30 קילוואט של חשמל.

ניתוח השוואתי של חלופות דלק

בחירת הדלק הנכון תלויה במספר גורמים: סוג צמחי קיים, מיקום, עלות משאבים, איכות רגולטורית, תשתיות.השולחן מתחת לסכמת מאפיינים מרכזיים של חלופות שנדונו.

(FLT:0)Biomass: FLT:1 עלות הון בינוני, נמוך להפחתה מתונה של פחמן (60–90% לעומת פחם), בעיות בעלות הגבלת מזון, פוטנציאליות לשימוש קרקע.
(FLT:0Waste-to- Energy:FLT:1 עלות ההון הגבוהה, ירידה מתונה של פחמן (30–50% לעומת תערובת מאובנים +), מפחיתה את נפח הפסולת, אתגרים קבלה ציבורית.
(FLT:0) מימן ירוק:BuildFLT:1 מאוד עלות הון גבוהה (אלקטרונית + אחסון), ליד אפס פחמן, מזון בלתי מוגבל (מים + מתחדשים), צפיפות בנפח נמוך דורשת אחסון גדול.
(FLT:0) אמוניה: 1FLT) עלות ההון הממתינות לטורבינות חדשות, ליד אפס פחמן, לוגיסטיקה קלה יותר מאשר מימן, רעילות ו- NOx בעיות.
(FLT:0) דלקים נימוסטיים: FLT:1 מאוד הון גבוה ועלויות תפעול (CO2 ללכוד + אלקטרוליטיזה), פוטנציאל פחמן שלילי, ירידה תאימות אבל אנרגיה-רגיש.

שום דלק יחיד הוא כדור כסף.התערובת האופטימלית תשתנה על ידי האזור: מדינות עם ביומסה בשפע עשויים לאשר ביומסה מוכוונת; אלה עם חשמל מתחדשים זול עשויים להתמקד מימן; אזורים עירוניים עם אתגרים ניהול פסולת עשויים לבחור מנגנוני מדיניות פסולת לאנרגיה .

אתגרים טכנולוגיים ותשתיות

אפילו הדלקים המבטיחים ביותר עומדים בפני מכשולים משמעותיים לפני שהם יכולים לרשתות חשמל בקנה מידה.

הפקה ו Scaling

רוב הדלקים האלטרנטיביים מיוצרים באמצעות תהליכים שאינם עדיין מבוגרים. אלקטרוליצרים עבור מימן ירוק נמצאים בשלב מסחרי מוקדם; היחידות הגדולות כיום לייצר רק כמה מאות ק"ג ליום. ⁇ לאלפים של טון ליום הנדרש על ידי תחנת כוח אחת גדולה ידרוש השקעה משמעותית ייצור והתרחבות ייצור.

אחסון והובלת

צפיפות הנפח הנמוכה של מימן דורשת דחיסה ל-350-700 או ל- Liquefaction ב--25 °C, הן אנרגיה-intensive. Ammonia יכול להיות מאוחסן כנוזל בלחץ צנוע, אבל תקנות בטיחות מגבילות את התחבורה שלה דרך אזורים מאוכלסים בצפיפות.דלקים סינתטיים לחקות לוגיסטיקה קיימת, אך דורשים לכידת חדשה וסינתזה בקנה מידה.

תחנת הכוח חוזרת

ברנס, מערכות הזרקת דלק, valving ומערכות בטיחות צריך להחליף או לשנות כאשר מעבר לדלק שונה.עבור טורבינות גז, בעירה מימן יכול להגדיל את מהירות הלהבה ולעלות את הסיכון של פלאשבק; הן GE וסימנס מפתחים קובוסים שיכולים להתמודד עם מיזוגים מימן גבוהים. Ammonia דורש ניהול זהיר של חנקן השקעות עמידת דלק כדי למנוע מ- NOx מוגזמת.

אינטגרציה פחמן

עבור דלקים כמו ביומסה או פסולת לאנרגיה, שילוב של התלקחות עם פחמן ללכוד ואחסון יכול להניב פליטות שליליות. Post-combustion ללכוד באמצעות פותריאמין או sorbents חדשים יכול להיות רטרוfffed למפעלים קיימים, אבל זה מקטין את התפוקה החשמלית נטו על ידי 15-25% בגלל דרישות אנרגיה עבור חידוש.

מדיניות ונהגים כלכליים

המעבר לדלקים חדשניים יואץ או יפריע על ידי כוחות ממשלתיים ושוק.

מחירי הפחמן ותקני הרשאות

מס פחמן ומערכות סחר (כמו מערכת המסחר של האיחוד האירופי) להפוך דלקים עמידים פחמן יקר יותר, שיפור הכלכלה של חלופות.מחיר פחמן של 100-150 / טון CO2 הופך מימן ירוק תחרותי עם גז טבעי באזורים רבים. בארצות הברית, חוק ניכוי האינפלציה מציע זיכויים מס עבור ייצור מימן (עד $ 3 / kg), חשמל נקי, פחמן, פחמן, ופחמן, באופן משמעותי לכידת עלות נמוכה יותר.

תקני תיק חדשים ומנדטים אנרגיה נקייה

תחומי שיפוט רבים דורשים שימושים כדי להביא אחוז גדל והולך של חשמל ממקורות נקיים.יש מדינות ומדינות כוללים במפורש מימן ירוק או אמונויה בקריטריונים של זכאותם.לדוגמה, אסטרטגיית מימן הבסיסית של יפן מכוונת 3 מיליון טון של אספקת מימן עד 2030 ו-20 מיליון עד שנת 2050, עם חלק משמעותי מוקדש לייצור חשמל.

ריכוזים לביומסה ובזבוז-אל-אנרגיה

סובסידיות עבור ביומסה, כגון ה- Renewables Obligation ו- Feed-in מכס, מונעות את המרה של צמחים פחם לביוטכנולוגיה. פרויקטים של פסולת לאנרגיה נהנים מדמי שער (תשלומים עבור פסולת) המספקים זרם הכנסות מעבר למכירות חשמל.עם זאת, קבוצות סביבתיות לעיתים קרובות מתנגדות לחיסון, בטענה כי היא תחת רדיפה של מחזורי מחזור ופרסום רעיל.

שיתוף פעולה בינלאומי והשקעות

יוזמות גלובליות כגון מועצת הידרוגן, השר לאנרגיה נקייה, וקרן המימן של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה תומכת בנתוני שיתוף ידע ופרויקטים של טייסים. שותפויות ציבוריות פרטיות חיוניות למימון צמחי הדגמה גדולים.השקעות פרטיות ממזגות גם הן: הון סיכון ומימון עבור סטארט-אפים מימן נקיים עלו על פני 20 מיליארד דולר ב-2023.

תחזית לעתיד ומגמות מתפתחות

העשור הבא יהיה עדים לאבולוציה מהירה בטכנולוגיית דלק של כוח.

הידרוגן Hubs ו-Cluster Projects

מרכזי מימן מתוכננים, כגון H2Hubs בארה"ב ואת אשכול HyNet בבריטניה, יניב, תחבורה, וצריכה מימן בקנה מידה. רכזות אלה יכללו תחנות כוח, משתמשים תעשייתיים ומתקני אחסון, ויורדו בעלויות באמצעות תשתיות משותפות.

כוח גמיש כ-Gear Balancers

ככל שמשתנים מתחדשים מגבירים את חלקם, תחנות כוח חייבות להיות גמישות יותר. הידרוגן- וצמחים בעלי יכולת אמוניה יכולים להצטבר ולרדת במהירות, לספק שירותי רשת חיוניים.חלק מהפרויקטים משלבים אלקטרוליצרים עם תחנות כוח כדי לייצר מימן כאשר חשמל זול לשרוף אותו כאשר הביקוש הוא גבוה, פועל כסוללה ענקית.

לכידת אוויר ישירה וסינתולוגיה של דלק סינתטי

שילוב של לכידת אוויר ישירה (DAC) עם ייצור דלק סינתטי יכול לאפשר לולאה פחמן סגורה.מספר חברות (Carbon Engineering, Climeworks, Global Thermostat) הן פריסת מתקני DAC; הצמדת אותם עם מימן אלקטרוליטי וצמח כוח יכול לייצר חשמל ללא פחמן, תוך הסרת CO2 מהאווירה.

מעגל הבעירה מתקדם

מעבר לבעירה פשוטה, מחזורי תרמודינמיקה חדשים מתעוררים.מחזור Allam-Fetvedt, המשתמש ב- CO2 קריטי כמו נוזל העבודה, מפריד CO2 בקלות במהלך הבעירה, המאפשר לכידת כמעט מלאה בעלות נמוכה.זה יכול לרוץ על גז טבעי, סינגרה, או מימן. Net Power הוא בונה מפעל MW 300 מטקסס.

מסקנה

חלופות דלק חדשניות מעצבות מחדש את מגזר ייצור החשמל.ביומסה, פסולת לאנרגיה, ומיזוג מימן הם אפשרויות מעשיות לטווח ארוך עבור צמחים קיימים, בעוד מימן ירוק, אמוניה, דלקים סינתטיים מציעים מסלולים לפליטת אפס עבור מתקני הדור הבא. בעוד מחסומים כלכליים טכניים נשארים - במיוחד עלויות ייצור גבוהות, תשתיות, והפסדים - תמיכה חזקה, ירידה בעלויות, טכנולוגיה, וצמיחה מתמדת, הם מעליהם.

מערכת האנרגיה העתידית תסתמך על שילוב מגוון של דלקים, כל אחד מתאים לתנאים המקומיים ספציפיים. תחנות כוח אשר נועדו או רטרופוכות לגמישות דלק יהיה ממוקם הטוב ביותר להסתגל לשינוי הכלכלה והתקנות.המשך המחקר, שיתוף פעולה בינלאומי, והשקעה מתמשכת הם הכרחיים להפוך את חלופות מבטיחות אלה לתוך עמוד השדרה של רשת כוח נקי, אמין, גמישה, גמישה, גמישה, יעילה.