در حال بررسی...توربین‌های گاز با سوخت آمونیاک
در سال ۲۰۲۳، حدود ۲۲.۵ درصد از برق تولیدشده در جهان از طریق توربین‌های گاز تامین شد که شامل تولید برق پایه و همچنین نیروگاه‌های پشتیبان می‌شود که در دوره‌های اوج مصرف مورداستفاده قرار می‌گیرند. در یک شبکه برق بدون کربن که سهم بالایی از منابع تجدیدپذیر ناپایدار دارد، نیروگاه‌های پشتیبان، یکی از گزینه‌ها برای تثبیت شبکه در دوره‌های پرمصرف خواهند بود. این نیروگاه‌ها تقریبا به‌صورت روزانه راه‌اندازی می‌شوند و زمان و میزان بار عملیاتی آن‌ها متغیر است. به همین دلیل، حذف کربن از این نیروگاه‌ها از طریق فناوری جذب و ذخیره کربن عملی نیست.
در اینجا است که گزینه‌های سوخت با آلایندگی پایین وارد میدان می‌شوند. آمونیاک می‌تواند به‌عنوان سوخت در توربین‌های گاز جدید استفاده شود یا در توربین‌های گاز بازسازی‌شده بکار رود. در واقع، توربین‌های گاز اغلب در طول عمر عملیاتی خود برای بهبود کارایی و سازگاری با سوخت‌های مختلف بازسازی می‌شوند و جابجایی واحدهای توربین گاز به مکان‌های جدید نیز امری رایج است. بازسازی توربین‌ها گزینه‌ای کم‌هزینه‌تر نسبت به ساخت توربین‌های جدید فراهم می‌آورد و استفاده کارآمدتری از تجهیزات موجود را ممکن می‌سازد.
توسعه قابلیت استفاده از سوخت آمونیاک در توربین‌های گاز در چارچوب دهه‌ها تحقیق و توسعه، استقرار و ساعت‌های طولانی بهره‌برداری از توربین‌های گاز با سوخت هیدروژن صورت گرفته‌است. اگرچه سوخت هیدروژن هنوز به‌طور گسترده در توربین‌های گاز مورداستفاده قرار نگرفته، اما جنبه‌های فنی و لجستیکی آن به‌خوبی به‌ویژه در زمینه کاهش و مهار انتشار گازهای ناکس درک شده‌اند. این دستاوردها مبنایی برای پژوهش‌های جدید در زمینه سوخت آمونیاک فراهم کرده‌اند و به تولیدکنندگان اصلی تجهیزات، گزینه‌های گوناگونی برای راهبردهای سوختی ارائه می‌دهند که در ادامه به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت. در جریان کنفرانس سالانه انجمن آمونیاک در سال ۲۰۲۴، وضعیت آمونیاک به‌عنوان سوخت برای توربین‌های گاز مورد بحث قرار گرفت و در نشستی با حضور تولیدکنندگان اصلی تجهیزات و کارشناسان توربین گاز به این موضوع پرداخته شد.
فناوری توربین‌های گاز
توربین‌های گاز می‌توانند به‌صورت سیکل ساده عمل کنند که در این حالت، بازده تبدیل سوخت به برق در حدود ۳۵ تا ۴۰ درصد بر اساس ارزش حرارتی پایین (LHV) است. اما زمانی که توربین گاز با یک توربین بخار در قالب سیکل ترکیبی ترکیب شود، بازده کلی سامانه به حدود ۵۵ تا ۶۰ درصد (LHV) افزایش می‌یابد. این نرخ نسبتا بالای تبدیل انرژی سوخت به برق، به توربین‌های گاز نسبت به نیروگاه‌های حرارتی زغال‌سنگ‌سوز که بازدهی آن‌ها در بازه ۳۵ تا ۴۵ درصد (LHV) قرار دارد، برتری بهره‌وری می‌دهد. اگرچه اکثریت توربین‌های گاز موجود همچنان از سوخت‌های متداول و کربن‌محور استفاده می‌کنند، اما قابلیت بازسازی این واحدها برای استفاده از سوخت‌های کم‌کربن یا بدون کربن، فرصت بزرگی برای کربن‌زدایی از تجهیزات موجود تولید برق با بازدهی بالا فراهم می‌سازد.
احتراق آمونیاک: دو مرحله‌ای
سوخت آمونیاک را می‌توان به‌صورت پایدار سوزاند، اما احتراق اولیه آن آسان نیست. به همین دلیل، در توربین‌های گازی که از آمونیاک به‌عنوان سوخت استفاده می‌کنند، معمولا از هیدروکربن‌ها به‌عنوان سوخت راه‌انداز یا پیلوت استفاده می‌شود. در توربین‌هایی که از آمونیاک مایع استفاده می‌کنند، معمولا از روغن‌های نفتی (و در مواردی سوخت‌های زیستی) به‌عنوان سوخت راه‌انداز بهره گرفته می‌شود. در توربین‌هایی که از آمونیاک گازی استفاده می‌کنند، از متان (گاز طبیعی یا بیوگاز) به‌عنوان سوخت راه‌انداز استفاده می‌شود.
اگرچه ممکن است راهبردهای سوختی متفاوتی انتخاب شوند، اما پیکربندی مورد توافق گسترده برای توربین‌های گاز با سوخت آمونیاک، به‌عنوان احتراق دومرحله‌ای شناخته می‌شود. منطقه اول، یک مخلوط غنی از سوخت است که در آن نسبت آمونیاک به هوا یا اکسیژن زیاد است. این وضعیت از تولید بیش‌ازحد اکسیدهای نیتروژن جلوگیری می‌کند و منجر به تبدیل آمونیاک به هیدروژن و نیتروژن در داخل توربین گاز می‌شود. سپس، منطقه دوم ضعیف است و دارای هوا یا اکسیژن اضافی برای اطمینان از تبدیل کامل سوخت است. در سال ۲۰۲۲، این فناوری توسط شرکت IHI در یک توربین گاز با محفظه احتراق پاششی آمونیاک به ظرفیت ۲ مگاوات به نمایش گذاشته شد. روند افزایش مقیاس برای استفاده از احتراق دومرحله‌ای در مدل‌های بزرگ‌تر توربین همچنان ادامه دارد.
راهبردهای استفاده از آمونیاک به‌عنوان سوخت
آمونیاک می‌تواند به‌صورت مایع تحت فشار به توربین گاز تزریق شود. این راهبردی است که توسط شرکت GE Vernova با همکاری شرکت IHI پیشنهاد شده‌است. چندین مدل موجود توربین گاز GE Vernova تا سال ۲۰۳۰ قابلیت تبدیل به استفاده از آمونیاک مایع به‌عنوان سوخت از جمله در مدل‌های ۶F.03 با توان ۸۸ مگاوات، مدل ۷F با توان ۲۰۱ تا ۲۳۹ مگاوات و مدل ۹F با توان ۲۸۸ مگاوات را خواهند داشت. همچنین، باقیمانده آمونیاک مایع را می‌توان پیش از ورود به توربین گاز تبخیر کرد تا آمونیاک به‌صورت گاز وارد توربین شود. این راهبردی است که شرکت میتسوبیشی پاور انتخاب کرده‌است. استفاده از سوخت مایع یا گاز بر جنبه‌های مختلف عملیاتی از جمله انتخاب سوخت پایلوت تاثیر می‌گذارد.
با توجه به تجربه‌ای که شرکت‌های سازنده تجهیزات اصلی در زمینه توربین‌ها با سوخت هیدروژنی دارند (و با در نظر گرفتن قابلیت احتراق بالاتر هیدروژن)، گزینه‌ای دیگر نیز وجود دارد و آن تجزیه آمونیاک به هیدروژن یا ترکیب سوختی از آمونیاک و هیدروژن با قابلیت احتراق بیشتر است. توربین‌های گاز کوچک با سوخت آمونیاک شرکت میتسوبیشی پاور، از گاز آمونیاک به‌طور مستقیم به‌عنوان سوخت استفاده خواهند کرد. در مقابل، توربین‌های گاز بزرگ‌تر که با آمونیاک کار می‌کنند، مجهز به سامانه تجزیه آمونیاک خواهند بود که از حرارت اتلافی حاصل از خروجی توربین گاز برای این فرآیند بهره می‌برد. در اینجا ادغام حرارتی نکته کلیدی است، زیرا حرارت بازیافتی از توربین گاز برای تجزیه آمونیاک استفاده می‌شود که باعث افزایش بازدهی کلی انرژی خواهد شد. در مقابل، استفاده از یک دستگاه تجزیه آمونیاک مستقل که بدون ادغام حرارتی عمل کند، منجر به بازدهی کمتر در تولید برق خواهد شد و در نتیجه، هزینه تولید برق را افزایش خواهد داد.
بخوانید: “میتسوبیشی توربین گاز با سوخت آمونیاک را توسعه می‌دهد“
راهبرد انتخابی برای نوع سوخت به عوامل متعددی بستگی دارد، از جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- انتشار گازهای ناکس در فرآیند احتراق که با افزایش درصد سوخت آمونیاکی بیشتر می‌شود (و برعکس، با افزایش درصد سوخت هیدروژنی کاهش می‌یابد). استفاده از احتراق دومرحله‌ای به کاهش میزان ناکس کمک می‌کند، اما ممکن است تصفیه پس از احتراق همچنان برای رساندن سطح آلایندگی به حدود مجاز قانونی موردنیاز باشد.
- اندازه توربین، بار اعمال‌شده به آن و الگوی عملکردی توربین
- انتخاب، دسترسی و یا تاثیرات زیست‌محیطی سوخت پایلوت
- امکان ادغام حرارتی با فرآیند تجزیه آمونیاک (یا سایر فرآیندها) که می‌تواند بهره‌وری انرژی را افزایش داده و کارایی سامانه را بهبود بخشد.
پروژه‌های اعلام‌شده برای توربین‌های گاز با سوخت آمونیاک
اخیرا، نخستین پروژه‌های مربوط به توربین‌های گاز با سوخت آمونیاک مورد توجه قرار گرفته‌اند که در زیر به آن اشاره می‌شود:
- یک پروژه توربین گاز ۶۰ مگاواتی با سوخت آمونیاک پیش‌تر در سنگاپور اعلام شده بود و برنده مناقصه در اوایل سال ۲۰۲۵ معرفی شد. این پروژه یک طرح آزمایشی است که شامل سوخت‌گیری دریایی آمونیاک نیز می‌شود. کنسرسیوم‌های Keppel و Sembcorp دو شرکت باقیمانده در مناقصه هستند.
- شرکت‌های Sembcorp،IHI و GE Vernova در حال بررسی نصب تجهیزات آمونیاکی در نیروگاه Sakra در سنگاپور هستند. ظرفیت کل تولید برق این نیروگاه ۸۱۵ مگاوات است.
- شرکت صنایع سنگین میتسوبیشی یک مطالعه امکان‌سنجی برای دو توربین گاز ۴۰ مگاواتی با سوخت آمونیاک در اندونزی انجام داده‌است.
- شرکت‌های Centrica Energy، Bord Gáis Energy و میتسوبیشی پاور در حال بررسی تغییر کاربری دو نیروگاه ۲۸۸ مگاواتی برای استفاده از سوخت آمونیاک در جمهوری ایرلند هستند. این نیروگاه شامل دو توربین گاز مدل ۹F محصول GE Vernova است.
- شرکت‌های سامانه‌های نیروگاهی هانوها و GasLog نیز در حال بررسی تغییر کاربری شناور‌های حمل LNG برای استفاده از توربین‌های گاز با سوخت آمونیاک هستند.
مسیر پیش‌رو
همانند توربین‌های گاز با سوخت هیدروژن، راه‌اندازی و ساعات کار عملیاتی به شرکت‌های سازنده تجهیزات اصلی کمک خواهد کرد تا توربین‌های گاز با سوخت آمونیاک را بهینه‌سازی کرده و بر مشکلات اولیه فائق آیند. مشابه با موتورهای دریایی که با آمونیاک کار می‌کنند، چند سال آینده حیاتی خواهد بود، زیرا پروژه‌های اثبات‌گر فناوری آغاز شده و مفاهیم از مرحله آزمایشگاهی وارد سازوکار تجاری می‌شوند. در واقع، توربین‌های گاز با سوخت آمونیاک ممکن است از مجموعه فناوری‌هایی که برای موتورهای دریایی با سوخت آمونیاک توسعه یافته‌اند، نیز بهره‌مند شوند. استفاده از این نوع توربین‌ها احتمالا بسته به شرایط مکانی و بخش‌های خاص بازار، مقرون‌به‌صرفه خواهد بود. با این حال، نشانه‌های اولیه امیدوارکننده هستند و مجموعه فناوری‌های موردنیاز با سرعت به سمت تجاری‌سازی پیش می‌رود.
منبع:
