NYPAとGE、航空転用ガスタービンでの水素改修の試験運用に成功

既存の米国の天然ガス発電所の改修の一環として水素燃焼を実証する先駆的な GE 航空転用ガスタービン プロジェクトでは、5% ～ 44% の水素と天然ガスの混合物を利用することに成功しました。これは、商用発電所に混合される水素の量としては最も多いものの一部です。作動中のガスタービン。

米国最大の州公共電力機関であるニューヨーク電力公社（NYPA）とGEが主導するこのプロジェクトは、2001年に開設されたNYPAの45MWブレントウッド小型クリーン発電所でLM6000 SACガスタービンでの水素と天然ガスの混合物の燃焼を実証した。ニューヨーク州ロングアイランド州サフォーク郡にある。

主な研究目的は、ガスタービンの水素に対する定常状態での動作能力を実証することと、二酸化炭素（CO2）、窒素酸化物（NOx）、炭素を含むLM6000ガスタービンの出口排出物に対する燃焼排出物への影響を特定することでした。一酸化物(CO)。 プロジェクトパートナーである電力研究所（EPRI）と研究グループが2020年に立ち上げた低炭素資源イニシアチブ（LCRI）のもとで活動したGTIエナジーによって9月23日に発表された、成功した試験の結果は、探査にとって極めて重要となるだろう。プロジェクトパートナーらによると、ピーキング電力を供給するために広く使用されている航空転用ガスタービンプラントに水素を統合するという。

しかし、このプロジェクトは米国の既存のガスプラントにおける初の実用規模の水素混合プロジェクトの1つである一方、競争力のあるガス発電プラントでの水素燃焼の実用化にはまだ長い道のりがあることを示唆するいくつかの重要な課題も明らかにした。

ニューヨーク独立系事業者 (NYISO) 市場で事業を展開しているブレントウッド (図 1) では、プラントの稼働に必要な量の水素を入手できないこと、混合水素燃料でプラントを稼働するための業界の経験が限られていることなどが課題として挙げられます。 、および制限的なコード要件。 そのため、NYPAは今のところ、ブレントウッドや他のガス火力発電所でのプロジェクトを継続するためにパイロットから学んだ技術を適用するつもりはないと金曜日にPOWERに語った。

しかしながら、このプロジェクトで得られた知見は、水素発電の実現可能性について利害関係者の議論に情報を提供する上で意図したとおり、依然として重要な役割を果たすだろう。 EPRIのエネルギー供給・低炭素資源担当副社長ネバ・エスピノーザ氏は、主な利点は洞察を提供できることだと述べた。 LCRIは開発を加速し、民間企業や政府が2050年までにますます野心的な脱炭素化目標を達成できるよう支援するために必要な低炭素技術を実証する決意であると同氏は述べた。 「産業界と政府が革新的なエネルギーソリューションを模索する中、NYPAの水素混合デモンストレーションはニューヨークをはるかに超えた意味を持つ新たな洞察を明らかにしています」と彼女は述べた。

ブレントウッドプロジェクトは、2050年までに二酸化炭素排出量を85％削減するという野心的な目標を追求するニューヨーク州が、発電から化石燃料に取って代わる水素の潜在的な役割を評価するために2021年7月に立ち上げた取り組みに端を発している。同州はまた、 NYPA暫定会長兼最高経営責任者（CEO）のジャスティン・E・ドリスコル氏は、2040年までに電力部門の排出量をゼロにし、2030年までに再生可能エネルギーの70％を達成すると述べた。 一方、このパイロットプロジェクトは、電力システムの信頼性を犠牲にすることなく、2035年までに天然ガスプラントを脱炭素化するというNYPAの戦略的ビジョンの優先事項と一致している。

自己資金による公共電力会社である NYPA は 6.6 GW の発電容量を所有しており、そのうち 1.2 GW は NYISO で運営されているガスおよび石油火力発電所によるものです。 ブレントウッドは、NYPAの「小規模クリーン発電所」ポートフォリオ（図2）の一部であり、このポートフォリオは、ニューヨークのエネルギー安全保障を強化するために同事業体が2001年に開設した11の航空転用ガスプラントで構成されている。

ドリスコル氏は金曜日、パワーに対し、NYPAの内部目標は、州の目標である2040年より5年前の2035年までにガス資産を廃止することであると語った。ブレントウッドの水素改修プロジェクトは、「実際には、これが可能かどうかを産業界や学界の他の人々に知らせるだけだった」完了するか、プラントが混合にどのように耐えられるか、排出量への影響はどのようなものか」と彼は述べた。

進歩に尽力する公共電力会社として、NYPA は「ニューヨーク州のクリーン エネルギーへの移行を加速し、炭素フリー経済に向けて移行できるよう電力業界に情報を提供できる新技術を試験的に導入することで、ニューヨークの道をリードしています」 、" 彼が説明した。 「電力部門の脱炭素化には、新技術や追加の再生可能電力資源の利用を含む、協力的で多角的なアプローチが必要となる。」

しかし、NYPAは「水素が役割を果たすかどうかにかかわらず、これらのプラントを廃止することに尽力している」とドリスコル氏は語った。 「これらのプラントの移行に水素を利用する計画は現時点ではありません。確かに何かを排除するわけではありませんが、この研究から得た教訓を当社のガス資産に適用する明確な計画はありません。NYPA」ドリスコル氏は、同工場を廃止するというNYPAの計画は、航空機転用機の稼働頻度と稼働時間が減少すると予測され、完全稼働の可能性を考慮した最近の共同研究に端を発していると述べた。同氏によると、各サイトで 4 時間のバッテリー保管が可能になるという。

NYPAの研究・技術開発・イノベーション担当シニアディレクター、アラン・エットリンガー氏がPOWERに語ったところによると、この先駆的なプロジェクトのより重要な役割は、ガス発電を脱炭素化するための大いに宣伝された経路である水素燃焼を探求するための予備的なテストベッドとして機能することであった。 同氏は、招集した分野横断的な業界コンソーシアムは、学んだ教訓を今後のさらなる取り組みに生かし続ける可能性が高いと述べた。

ニューヨーク州は7月にNYPAに水素燃焼パイロットを主導する任務を与えたが、GEはLM6000のオリジナル機器メーカーとして水素/天然ガス混合システムを供給し、プロジェクトの計画と実行を支援した。 EPRI が主導する LCRI は、プロジェクト設計と技術評価を支援しました。 他のパートナーには、ブレントウッド工場の元の建築エンジニアであり、プロジェクトの記録エンジニアを務めたサージェント & ランディが含まれます。 エア・リキード社のエアガスは、ケベック州ベカンクールにあるエア・リキードの施設から99％再生可能エネルギーで供給された再生可能水素を試験用に供給した。 Fresh Meadow Power は、水素を GE 設計のミキシングスキッドに供給し、最終的にはタービンに供給する配管システムを開発しました。

当初のコンセプトから実装までの計画には、サプライチェーンの遅れや特殊なバルブやコンポーネントを伴う数か月の建設、数か月のテスト準備を含め、「1年強」かかりました。 実際のテスト期間は2021年11月から8週間にわたって3段階に及んだとエトリンガー氏は金曜日に述べた。 「まず、システムに問題がないことを確認しました。プラントに変更を加えて天然ガスで稼働させ、次に水素の割合を減らして稼働させました。最終的には、最大 44％の 3 回目のテストを実行しました。」 、" 彼は言った。

エトリンガー氏は、チームの当初の計画は最大40％の水素混合物をテストすることであったと指摘した。 しかし、テストが終わりに近づくにつれ、チームには十分な水素があり、すべてのシステムが予想通りかそれ以上に性能を発揮したと同氏は語った。 水素の注入を伴う実際のテスト時間は「12時間近く」、水素量44%の3回目のテストは「おそらく2、3時間」かかったと同氏は述べた。

1990 年代初頭に LM6000 を発売した GE にとって、このプロジェクトは、変化する送電網に極めて重要な信頼性と柔軟性を提供しながら、発電による炭素排出量の削減において水素が果たせる重要な役割を改めて検証するものでした。

GEは、3月に、485MWロングリッジ・エネルギー・ターミナル複合サイクル発電所のGE 7HA.02ガスタービンで5%の水素と95%の天然ガス燃料の初期混合物を燃焼させる別の先駆的なテストを実施したチームの一員であった。このプロジェクトは、天然ガスから水素混合物に移行し、最終的には 100% の水素を燃焼できるようにすることを目的として建設されました。

GE はいくつかのガス タービン モデルで水素を燃焼させてきましたが、ロング リッジ テストは GE HA クラスの機械で水素を燃焼させたのは初めてでした。 GE は他のモデルでも水素燃焼試験を主導しています。 昨年同社は、オーストラリアのニューサウスウェールズ州にあるエナジーオーストラリアの既存の316MWタラワラB発電所で、Fクラスのガスと水素の二元燃料プラントを試験的に導入すると発表した。 2021年9月、オーストラリアのノーザンテリトリーの電力会社であるテリトリージェネレーションは、水素燃焼の利点を実証するために、ダーウィン郊外のチャンネルアイランド発電所にGE TM2500トレーラー搭載型航空転用ガスタービンを設置すると別途発表した。

ブレントウッドでの最近のテストは、GEの航空派生製品群にとって最初の大きな一歩であるが、既存の保有群に水素機能を改修するGEの能力にとっては初めての勝利でもある、とGEガスパワーの緊急技術担当ディレクター、ジェフリー・ゴールドミーア博士はPOWERに語った。

60 年を超えるガスタービン技術の提供の歴史により、世界のガス設置ベースの半分以上が GE 製です。 これは、120 か国以上で 800 GW 以上の設備容量に相当する約 7,000 基のガスタービンに相当します。

GE LM6000 航空転用ガス タービンは、30 年にわたる運用経験の恩恵を受けており、ピーキング運用に広く導入されているクイックスタートの高効率技術です。 現在では、再生可能エネルギーのバランスをサポートするのに非常に適しています。 GE の CF6-80C2 高バイパス ターボファン航空機エンジンから派生した、ブレントウッドに設置された 46.1 MW シンプルサイクル 2 シャフト タービン モデルは、依然として同サイズクラスで最も燃料効率の高いモデルの 1 つです。

「NYPAのブレントウッド施設にあるLM6000ユニットはPCモデルです。つまり、単一の環状燃焼器(SAC)で構成されています」とゴールドミーア氏は説明した。 「これは、NOx 排出制御に水噴射を使用する拡散燃焼システムです。拡散燃焼システムは、通常、より高レベルの水素でも動作する機能もあります。LM6000 は、GE Aeroderivative のガス タービンの中で最大の設置ベースを備えているため、これらの学習は可能性があります。 「これは、米国の他の多くのプラントにも適用可能です。さらに、学習内容は他の SAC 燃焼器 (LM2500 および LMS100 ユニットの) と共有でき、GE の能力を加速するのに役立ちます。」と同氏は述べました。

ゴールドミーア氏は、ブレントウッドのパイロットでは、水素混合燃料の運転中に燃焼システムを監視するためにGEが追加した計器類（温度センサーと動圧センサー）を除いて、ガスタービンに改造を加える必要はなかったと述べた。 「混合水素燃料での運転中、ガスタービンの運転は安定しており、温度と動圧のデータはガスタービンの運転に大きな変化を示さなかった」と同氏は述べた。

全体として、このテストは、利用可能な技術を使用して「水素と天然ガスの混合物を運転し、NOx 排出量を既存の許可レベルに維持できる」ことを実証しました。 ブレントウッドでは、これには水噴射燃焼器と、選択的接触還元（SCR）を含む燃焼後後処理が必要になる、とゴールドミーア氏は語った。

エネルギー移行の進展に伴い、ガス発電が再生可能エネルギーのバランスをとる上でより重要な役割を果たそうとしていることを考えると、これは非常に有望である。 「より大きな観点から見ると、風力や太陽光などの可変再生可能エネルギーシステムの設置を増やし、送電網をサポートするための派遣可能な発電資産が必要になるだろう」と同氏は述べた。 「水素と天然ガスの混合量を増やして動作できる高速ランピングの航空転用ガスタービンは、送電網の信頼性をサポートする炭素排出量の少ない電力を供給できる可能性があります。」

金曜日に発表されたLCRIの主要な調査結果によると、この実証では、水素燃料の割合が増加するにつれてCO2排出量が減少することなど、「予想される傾向」が示されたという。 「47 MWe では、体積比 35% の水素混焼で CO2 質量排出率が約 14% 減少した」と LCRI の報告書は述べています。

重要なことは、定常状態において、SCR および CO 触媒システムを含む同プラントの現在の燃焼後排出制御は、スタックの NOx、CO、およびアンモニアのスリップ レベルをニューヨーク州環境保全局の制限値未満に制御することができたことです ( DEC) タイトル V の規制許可。 NYPAは、この実証では「ガスタービンの稼働に対する悪影響は知られていない」と削減を達成したと述べた。 「この結果は、発電所の運営者にとって、発電所システムへの最小限の変更、または必要な変更なしで、施設の炭素排出量の削減を目的とした水素燃料の試験と使用を開始する上で重要であることが証明される可能性があります。」

この研究では、触媒システムの上流にあるガスタービン出口での NOx および CO 排出の影響も調査されました。 天然ガスの燃焼に基づく安定した水注入率では、混合燃料中の水素の量が増加するにつれて、ガスタービン出口の NOx レベルが増加し、CO レベルが減少することがわかりました。 「水噴射率を体積比で20%未満増加させることにより、水素燃料が体積比で35%を超えて増加しても、[ガスタービン]出口NOxレベルは一定レベルに維持された」と報告書は述べている。 ただし、水素濃度が高くなると、NOx レベルは最大 24% 増加しました。

これが意味するのは、水素混焼では、安定したガスタービン出口 NOx レベルを維持するために、LM6000 SAC オペレータが水素燃料の割合に応じてほぼ直線的に水噴射を増やす必要がある可能性があるということです。 「この NOx 増加の観測結果は LM6000 SAC 技術に特有のものであり、乾式低排出ガス燃焼器には当てはまらない可能性があることに注意することが重要です」と報告書は述べています。

また、NOx 制御のために水注入率を増加させたにもかかわらず、テスト中に水素量が増加したため、CO レベルも大幅に (88% も) 減少しました。 これは、水素の同時燃焼（スタックの許可要件に応じて）により、LM6000ユニットが「CO酸化触媒を使用せず、または触媒の量を減らして、より広い負荷範囲で動作できるようになり、資本コストと[運用および保守]コストが削減される可能性がある」ことを示唆する重要な発見であると同氏は述べている。報告書は言う。

GEのGoldmeer氏は、この発見を「素晴らしい結果」であると強調した。 これは、LM6000での水素燃焼が「通常はCO排出量によって制限される排出ガス対応ターンダウン能力を高める可能性がある」ことを意味する、と同氏は述べた。 GEのエンジニアリングチームは現在、「水素と天然ガスの混合物での運転に関心を持つプラント向けに、どのような種類の商用製品が含まれるかを決定するためにデータを調査している」と同氏は述べた。

もう 1 つの重要な発見は、水素燃料レベルが増加してもタービンの火炎が安定したままであったことです。 極めて重要なこととして、「水素混合物での動作中に、（燃焼力学を監視する）温度センサーと動圧センサーで測定したところ、（ガスタービンの）動作に大きな変化は観察されなかった」。 実証中、ガスタービン制御は安定していました。 「低位発熱量（LHV）と比重のデータが適切なタイミングで制御ソフトウェアに送信された場合には」、燃料組成の変化中にトリップは発生しなかった。

LCRI はまた、既存のガスタービンフリートに水素を統合しようとしているプロジェクト開発者にいくつかの重要なポイントを提供しました。 1 つは、統合の課題を特定して克服するために、「早期に」協調設計アプローチを採用することです。 ブレントウッド プロジェクトでは、「このプロジェクトのさまざまな設計側面に多数のチームが関与しているため、設計プロセスがチームごとに異なる速度で進行する状況が生じました。これにより、すべての安全性と運用性を確保するために、設計プロセスの後半でやり直しが必要になりました」要件は満たされました」と報告書には記載されています。 設計コンセプトでは全米防火協会などの許可に関する考慮事項も考慮し、許可の例外に十分な時間を考慮する必要があると同報告書は指摘する。

代替燃料として水素を検討しているガス発生装置にとって、技術的および市場に影響を与える 2 番目の重要な課題には、安定した水素供給を維持することが含まれます。 ブレントウッドプロジェクトには、試験が行われた累積 12 時間にわたってトレーラーで輸送された十分な量の水素があった。 しかし、チームは水素供給の安定性を維持することに取り組み、各水素トレーラー接続部に個別に配置された水素レギュレーターを手動で常に調整する必要がありました。 「チームは、テスト中に継続的な監視と調整を必要とした大規模な手動介入によってシステムを機能させることができた」と報告書は述べている。 「これは通常のプラント運転では現実的ではありません。」

その他の課題としては、適切な天然ガス供給圧力の確保が挙げられますが、これは水素比率が高まるにつれて避けられませんでした。 「水素比率が増加するにつれて、[天然ガス]供給圧力を上げる必要があった。これにより、[天然ガス]と混合できる水素の限界が効果的に増加することが証明された」と報告書は述べている。

これらの問題は、さらなる研究によって克服される可能性があります。 ガスによる水素燃焼が繁栄するために業界が直面する最も大きなハードルは、適切な大規模な水素供給とそれを貯蔵するための設備の調達に関係します。 エトリンガー氏は、水素を含む米国の既知の最大のタンクはNASAの水素貯蔵タンクであり、125万ガロンの液体水素を貯蔵していると指摘した。 「そのタンク内の水素では、ブレントウッドに（100％の）水素を供給できるのは4日分だけだ」と同氏は述べた。 「繰り返しになりますが、おそらく大きなテーマの 1 つに戻ると、水素の供給は無視できるものではありません。これは私たちが前進する上で重要な問題です。」

LCRI はまた、LM6000 同時焼成に関する基礎的な知識ベースのギャップを強調し、それらを満たすためのいくつかの推奨事項を発行しました。 注目すべき推奨事項には、水素の開始が含まれます。 実証実験のガスタービンは常に天然ガスで起動されていましたが、LCRI は将来の調査では水素燃料を増やして起動する必要があると提案しました。 それがスタートアップ企業にとって安全な限界を確立する鍵となるだろうと同社は述べた。

—ソナル・パテルPOWER 上級副編集者 (@sonalcpatel、@POWERmagazine)

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