Global Enerji Mix'te Doğal Gazın Stratejik Rolü

Doğal gaz santralleri şu anda küresel elektrik üretiminin yaklaşık dörtte birini tedarik ediyor, ikinci tur gaz türbinlerinin birçok bölgede kömürden sonra elektrik kaynağı haline getirilmesini sağlıyor. Bu yanıtlama, onları rüzgar ve güneş gibi değişken yenilenebilir kaynaklara kadar dengelemek için doğal bir tamamlayıcı haline getiriyor.

Doğal gazın çevresel argümanı tarihsel olarak düşük karbon yoğunluğuna geri döndü. Modern bir birleşik döngü bitkisinde kompostlandığında, doğal gaz yaklaşık 350-400 kilogram CO2 per megawatt-saat, örneğin, CO2 emisyonunu, 2005 ve 2012 arasında yaklaşık yüzde 15 azaltımı, enerji yönetimine göre doğal gazın değiştirilmesine yol açan bir petrolün karbon azaltımı nedeniyle, ABD'nin enerji sektörüne kadar azalttı.

Ancak doğal gazın etrafındaki iklim matematiği, kömüre basit bir kıyaslanmadan daha karmaşıktır. Doğal gaz öncelikle metandır, bu da 20 yıllık bir süre boyunca CO2'den daha büyük bir ısınma potansiyeli vardır.

Doğal Gaz Santrali Emisyonları

Geleneksel bir doğal gaz birleşik döngüsü bitki, sıfır emisyonlu operasyon için ele alınması gereken üç emisyon kategorisini oluşturur. birincil emisyon, tipik bir bitkide egzoz akışının yüzde 7–8'i içeren, ikinci kategorideki küçük ve sulfurt sera gazı gibi ölçütleri içerir, ancak seçici katalitik azaltımı ve diğer kirliliği kontrolleri ile kontrol edilir.

Sıfır emisyon işlemi, aynı anda üç kategoriyi ortadan kaldırmayı gerektirir. Karbondioksit serbest bırakmadan önce ele alınmalıdır, yanma işleminin kendisi sıfır veya yakın NOx üretmek için yönetilmelidir ve methane kaybolmalıdır. Gelişen teknolojiler bu gereksinimleri farklı açılardan ele alır, bazıları da yanma sürecine odaklanır.

Karbon Yakalama ve Depolama Teknolojileri

Post-Combustion captured

Post-combustion karbon yakalama, CO2'yi doğal gazın yakıldığı egzoz akışından ayırıyor.En olgun yaklaşım, genellikle Kanada ve ABD'deki doğal gaz santrallerinde kimyasal bir çözüm bulmakta ve depo veya kullanım için taşınan konsantre bir CO2 akışı serbest bırakmakta fayda sağlıyor.

Posta sonrası yakalama ile asıl zorluk, enerji cezasıdır.Pozisyonun %8 ila 12 oranındaki artışını azalttığı ısının, aynı miktarda CO2'nin aynı miktardaki yüksek çözünürlükte elde edilmesi anlamına gelir. Low-baskın gazlarının da dahil olmak üzere, faz kaynaklı malzemeler ve enzim bazlı sistemlerden oluşan yüksek oranda % 5 CO2'ye kadar daha düşük olması gerekir.

Pre-Combustion captured and Allam Cycle

Pre-combustion yakalama, doğal gazın hidrojen ve CO2'nin bir karışımına dönüştürülmesi ile farklı bir yaklaşım alır, sonra CO2'yi ayırıp sadece hidrojen üretmeden yana yakılabilir. Bu yaklaşım,% 95'in üzerinde artış elde etmek için buharlı gaz değişimi sağlar, ancak kombine çevrim sistemlerinden önemli ölçüde farklı bir bitki yapılandırması gerektirir.

Allam-Fetvedt döngüsü, geleneksel yanmadan daha radikal bir çıkış temsil ediyor. Bu sistem, oxy-combustion – havadan ziyade doğal gaz yakması – ve yüksek basınç yerine süperk kritik CO2 akışıyla çalışırken, egzoz akışı neredeyse tamamen CO2 ve sudan oluşur, CO2 kolayca ayrılırken, bir kısmı geri dönüştürülmüş bir şekilde ticari gelişime gönderilirken, yüksek ısı verimliliği artırır.

Hidrojen bir Zero-Carbon Yakıt Yolu Olarak

Gaz Türbinde Hidrojen Kombinasyonu

Doğal gaz yerine yanma noktasında CO2 emisyonlarını ortadan kaldırır, hidrojenin kendisi düşük karbonlu yöntemler ile üretilir. Doğal gaz türbinleri hidrojen yakıt karışımlarını işlemek için tasarlanmış ve birkaç üretici, 100 hidrojen operasyonu için derece yüksek ısı hızlarını ve sıcaklıkları kontrol eder ve ayrıca NOx formlarını artırabilir.

Kombinasyon dinamikleri de hidrojenle önemli ölçüde farklılık gösterir. Daha yüksek alev hızı ve daha geniş flammability range of hidrojen, flaşı önlemek için modifikasyon gerektirir - alev yayılımlarının yüzde 30 ila 100 arasında, Avrupa ve Kuzey Amerika'da çok sayıda sitede tam ölçekli gösterilerle birlikte, hidrojen karışımlarını ele geçirebilme yeteneğine sahip olan elektrikli, Mitsubishi Power ve Siemens Enerji, her biri, 30 ila 100 arasında değişen hidrojen karışımlarını kullanarak, tüm ölçekli gösterilerle, yüksek hidrojen kesimlerinde etkili bir şekilde çalışmayabilir.

Yeşil, Blue ve Turquoise Hidrojen Üretimi

Hidrojen yanmasının emisyon etkisi tamamen hidrojenin nasıl üretildiğine bağlıdır. Yeşil hidrojen, yenilenebilir elektrik kullanarak elektrolit gazı yakması ile üretilir, değer zinciri boyunca sıfır emisyonlar elde eder. Blue hidrojen, buharlı reform veya otomatik olarak hidrojen yakalama ile yapılırsa, hidrojenin yüzde 60 ila 85 oranında daha düşük CO2 emisyonlarını doğrudan doğal gaz yakması ile verir.Tükleerik hidrojen, hidrojen ve sağlam karbon üretmek için metne piroliz sağlar, CO2 üretimi tamamen yenilenebilir kaynaklardan gelir veya karbon kalıcı olarak depolanırsa.

Mevcut ekonomi, mavi hidrojeni güçlü bir şekilde destekliyor, bu boşluğu hızla daraltıyor ve ABD Enerji Hidrojen Shot programı, on yıl içinde temiz hidrojen için 5 ila 8 $ değerinde bir hedef belirledi, bu da hidrojeni maliyetle doğrudan doğal gaz yakmaya zorlayacaktı.

Ölçme ve Altyapı Geçiş

Yakın vadeli bir strateji, hidrojeni mevcut doğal gaz boru hatları ve yanma sistemleri yavaş yavaş yavaş artan konsantrasyonlarda harmanlamaktadır. Çoğu çalışma, yüksek basınçlı ağlarda 20 hidrojen karışımını gerektirdiğini gösteriyor ve son kullanıcı ekipmanlarını hedef alıyor.Bu yaklaşım, hidrojen üretim ölçeklerini azaltıp adanmış altyapıyı azaltıp inşa etmeye başlamamıza olanak sağlıyor.

Combustion and System-Level Technologies

Katı Çimento Yakıt Hücreleri Gaz Türbinleriyle Entegre

Solid oksit yakıt hücreleri doğal gaz veya hidrojeni doğrudan yanmadan ziyade elektriksel reaksiyonlar yoluyla dönüştürür, yüzde 60'ın üzerinde elektriksel efficilere ulaşır -% 40'tan% 45'e kadar basit-dönüşüm gaz türbinlerinin% 70'ine ulaşırken, yüksek sıcaklık ve baskıda yakıt hücresi yüksek miktarda çalışır ve egzozlu yakıtlar da ilave güç üretmek için türbinin içinde yakılır.

Birkaç gösteri projesi bu konsepti megawatt ölçeğinde doğruladı. Teknoloji, hücre dayanıklılığı, termal bisiklet ve maliyetle ilgili zorluklarla karşı karşıya kaldı, ancak üreticiler, hacim üretimi ile entegre yakıt hücresi gaz türbini sistemleri, yakın zamanda yarı 2020'lerde geleneksel birleştirilmiş döngü tesisleri ile maliyet pariteye ulaşabilirdi.

Kimyasal Dönüşüm

Kimyasal döngü yanma, yanma sürecinde doğal olarak CO2'yi ayıran başka bir yaklaşım sunuyor. Sistem, iki reaktör arasında dolaşım yapan bir metal oksit oksijen taşıyıcısını kullanıyor. Yakıt reaktöründe, metal oksit oksijeni asla yakıt reaktörüne basmak için serbest bırakıyor, CO2 ve su buharı üretmiyor. Metal oksit daha sonra pahalı ayrılık ekipmanları olmadan doğrudan bir hava reaktöre geri döndü.

Laboratuvar ve pilot ölçekli testler, önümüzdeki beş yıl içinde Avrupa ve Asya'daki çeşitli oksijen taşıyıcı malzemeleriyle kimyasal döngüler göstermiştir. Teknik zorluklar oksijen taşıyıcı partiküllerinin mekanik bütünlüğünü binlerce döngü ve reaktör sistemlerini pilottan ticari boyuta kadar ölçeklendirmektedir.

Sıfır Emisyon Gaz Santralleri için Ekonomik ve Politika Çerçeve

Sermaye ve İşletim Maliyetleri

Mevcut doğal gaz santrallerinin sıfır emisyon işlemi için ekonomi, teknoloji yolu ile önemli ölçüde değişmektedir. Posta-komşu karbon yakalama, toplam işlem maliyetlerine göre% 20 ila 40 $ 'lık bir miktar daha düşük maliyetle, birleştirilmiş CO2 taşıma ve depolama maliyeti, megawatt-saate bağlı olarak, diğer 10 $ 'a göre, mesafe ve hidrojen yanma yollarına bağlı olarak, sermaye maliyetleri 20 ila 40'a kadar daha yüksek bir maliyetle, daha düşük maliyetli işletme maliyetlerine göre.

Vergi kredileri ve karbon fiyat mekanizmaları, maliyet boşluğunu kapatmak için gereklidir. ABD Bölüm 45Q vergi kredisi, geçen yıllarda CO2'nin metrik olarak jeolojik formlarda kalıcı olarak depolanması, mevcut politika desteği ile, yeni inşa edilen sıfır emisyonlar ile, 2030'da karbon azaltımı ile karbon-konaktulma bölgelerinin 2030'da yüzde 85'i aynı şekilde azaltılabilmesi için, emisyonların geri kalanını da artırabileceğini göstermektedir.

Düzenleme ve Altyapı Gereksinimleri

Sıfır emisyonlu gaz santrallerinin geniş kapsamlı dağıtımı, Illinois, Indiana ve Kuzey Dakota dahil olmak üzere önemli bir yakalama dağıtımını desteklemek için yaklaşık 5.000 mil CO2 boru hattına sahiptir.

Hidrojen altyapısı benzer zorluklar sunuyor. Özel hidrojen boru hatları, depolama mağaraları ve son kullanıcı ekipmanları, saf hidrojen üzerinde faaliyet gösteren bitkiler desteklemek için inşa edilmelidir. Avrupa Hidrojen Back Bone inisiyatifi, hidrojen boru hatlarının 40.000 kilometre kadarını 2040'a kadar tedarik etmeyi planlamıştır.

Path Forward: Dekarbonized bir Grid için tüm teknolojiler

Tek teknoloji, doğal gaz santrallerini kendi başına sıfır emisyon tesislerine dönüştürecektir. En büyük senaryo, bölgesel koşullara ve bitki özelliklerine göre kullanılan çözümler portföyü içerecektir. Tümam döngüsü ve yakıt kaynaklarına yakın olan tüm hibritler, yüksek verimlilik ve yakın CO2 yakalama sistemleri ile inşa edilen yeni tesisler için mümkün olacaktır.

Ticarileştirme için zaman çizelgesi hızlanıyor.20 senaryosu karbon yakalama, düşük karbon karbonlu hidrojen üzerinde çalışmak veya bu yörüngede karbon kaynaklı bir yatırım yapmak için tasarlanmış olan 2030'dan sonra online olarak üretilen enerji santralleri, 2040'a kadar, aslında kalan gaz kaynaklı bir nesil için çağrıları, düşük karbonlu hidrojenle donatılmış veya her ikisine de yatırım gerektirir.

Fırsat önemli. Doğal gaz santralleri güvenilir nesil kapasitede önemli bir yatırım temsil ediyor.Eğer bu varlıklar erken emekli olduğundan daha karbonatlanabilirse, enerji geçişinin maliyeti önemli ölçüde azalır ve elektrik güvenilirliği yenilenebilir teknolojilerle genişletilirken, gelişmiş termozoflar ve kimyasal döngülerden yüksek sıcaklıklı CO2 döngülerine kadar, bu dekarbonizasyon teknik olarak uygulanabilir. Kalan zorluklar öncelikle ekonomik ve kurumsal olarak ele alınırlar - ve elektriksel olarak maliyetlerin bir araya getirilmesine devam ederler.

Doğal gaz, on yıllardır elektrik sisteminin bir parçası olarak kalacaktır, ancak karma konfigürasyonlarda biyokütle edilen enerji santrali 2040'ın küçük bir araya gelmesi, güneş parlamadığı ve rüzgarın havaya uçurulması durumunda, net-zero veya net-ngatif emisyonların arttırılmasını sağlayacaktır.