Pomocou riešení procesného merania od Endress+Hauser nová elektráreň Long Ridge Energy (LRE) úspešne demonštruje životaschopnosť čistého vodíka v globálnom energetickom priemysle.

Požiadavky a očakávania

Zatiaľ čo svet zápasí s klimatickými zmenami a obmedzeniami prírodných zdrojov, vlády, spoločnosti a komunity výrazne investujú do hodnotenia rôznych riešení obnoviteľnej energie. Slnečnej a veternej energii sa často venuje najväčšia pozornosť, no tieto zdroje energie sú obmedzené svojou nestálosťou v čase špičkového odberu a nie sú ideálnym riešením v prípade veľmi kolísavého dopytu používateľov. Obnoviteľné zdroje vodíka získavajú čoraz väčší význam ako alternatívny spôsob skladovania energie, pretože sa dajú kedykoľvek premeniť na teplo a elektrinu pomocou palivových článkov alebo plynových turbín.

Turbína v zariadení LRE využíva zemný plyn ako surovinu. Hoci je zemný plyn pre životné prostredie lepší ako uhlie, je to tiež fosílne palivo, a preto podlieha kontrole zo strany regulačných orgánov a miestnych úradov. Emisie zo spaľovania vodíka sú čistejšie, a preto vodík poskytuje cestu na čiastočnú dekarbonizáciu zdroja paliva.

Výzvy zákazníkov

Miešanie vodíka so zemným plynom predstavuje zvýšené riziko výbuchu, je náročnejšie na manažment protipožiarnych opatrení a vplyvov na životné prostredie. LRE musí pred vstreknutím vodíka do existujúcej infraštruktúry rozvodnej siete zemného plynu postupovať opatrne a znížiť tieto riziká. Spoločnosť zároveň potrebovala prísť na to, ako znížiť množstvo odpadu a zvýšiť efektivitu a zároveň urobiť svoj zdroj paliva ekologickejším.

Spoločnosť preto na začiatku projektu stanovila prísne požiadavky na spoluspaľovanie vodíka, medzi ktoré patrili:

  • presný systém vstrekovania vodíka s validáciou zmesi,
  • možnosť jednoduchého a efektívneho rozširovania prevádzky,
  • moderná, inteligentná technológia merania,
  • bezpečnostné záruky najvyššej úrovne.

Riešenie

Spoločnosť LRE doteraz uskutočnila štyri komplexné a úspešné testy vstrekovania a kontroly 5 % zmesí vodíka do zemného plynu. Získaním vodíka na vstrekovanie z vedľajšieho produktu miestneho chemického výrobcu a využitím odborných znalostí technologického partnera Endress+Hauser v oblasti automatizácie procesov sa LRE podarilo dosiahnuť primárne ciele. Akcionári LRE sa spojili so spoločnosťou Endress+Hauser, aby poskytla konzultačné služby a spoľahlivé meracie prístroje na bezpečnú kontrolu citlivej zmesi vodíka a zemného plynu. Prevádzka bola vybavená Coriolisovým prietokomerom a Ramanovým analyzátorom Rxn5 na meranie a overovanie miešania vodíka, ako aj prietokomerom hlavného paliva za bodom vstrekovania vodíka.

Presné meranie s viacerými premennými

Coriolisove prietokomery sú schopné merania s viacerými premennými v prúde plynu vrátane hmotnostného prietoku, hustoty, teploty a korigovaného objemového prietoku.

Coriolisov prietokomer Proline Promass Q od spoločnosti Endress+Hauser, ktorý už získal niekoľko ocenení odbornej komunity, bol vybraný na použitie v bode vstrekovania vodíka na primiešanie do palivového systému. Rýchlosť vstrekovania sa nastavila v rámci chybového pásma 0,25 % bez potreby obmedzujúceho priameho potrubia pred alebo za prietokomerom.

Za bodom vstrekovania bol nainštalovaný Coriolisov prietokomer Proline Promass F na monitorovanie prietoku plynu v hlavnom potrubí. Zatiaľ čo prietoková rýchlosť je primárne závislá od správnej rýchlosti vstrekovania vodíka do palivového systému zemného plynu, monitorovanie koncentrácie zmesi pomáha zaručiť bezpečnosť a optimalizáciu výkonu. Obidva prietokomery Endress+Hauser v zariadení sa používajú v súlade s normami prietoku paliva EPA na výpočet emisií vrátane upravených emisií po vstreknutí vodíka.

Meranie chemického zloženia v reálnom čase

Tím tiež pridal do procesu analyzátor založený na Ramanovej spektroskopii na vyhodnotenie zmesi s cieľom zmierniť následky nerovnovážnej zmesi plynov, najmä zmesi s vysokým obsahom vodíka. Analyzátor Endress+Hauser Raman Rxn5 poskytuje spoľahlivú analýzu zloženia rýchlo sa meniacich palív plynových turbín zmiešaných s vodíkom v reálnom čase. Analyzátor bol spárovaný so sondou Raman Rxn-30, ktorá vyžaduje iba 15 sekúnd na vykonanie presného merania priamo v prúde plynu.

Sonda spolu s Ramanovým analyzátorom spoločne poskytuje výpočty Wobbeho indexu – referencie používanej na porovnanie energetického výstupu rôznych zmesí plynov. Wobbeho index je kritický pri používaní alternatívnych zdrojov paliva, ako je vodík, ktorý má nižšie Btu na objem ako zemný plyn. Spoľahlivá, takmer okamžitá spätná väzba o integrite zmesi plynov výrazne pomáha predchádzať prekmitaniu úrovne vodíka, čo by mohlo poškodiť spaľovací systém.

Adaptívna technológia

Kapacitu vstrekovacieho potrubia vodíka možno v budúcnosti v LRE jednoducho rozšíriť pomocou Coriolisovho prietokomeru Proline Promass X s vyššou kapacitou s minimálnymi úpravami potrubia. Podobne môže byť analyzátor Raman Rxn5 prispôsobený tak, aby vyhovoval špecifickým vlastnostiam paliva a dokázal spracovať širokú škálu palivových zmesí bez zmeny akýchkoľvek komponentov systému. Táto technologická flexibilita výrazne prospeje budúcim snahám spoločnosti o expanziu, keď sa podiel demonštračných zmesí zvýši zo súčasných 5 % na výrobné pomery 20 % alebo vyššie, kde môže rýchlosť plynu prekročiť obmedzenia prietokomera optimalizovaného na zemný plyn.

Obnova miestnej ekonomiky

Okrem pomoci pri znižovaní celosvetovej produkcie skleníkových plynov je ďalším pozitívnym výsledkom iniciatív LRE v oblasti obno­viteľnej energie oživenie okolitej ekonomickej komunity. Nová elektráreň pomohla obnoviť ekonomickú stabilitu v oblasti a vrátila stovky pracovných miest stratených v dôsledku zatvorenia 50-ročnej hlinikárne na rovnakom mieste v roku 2013. Ako líder v oblasti obnoviteľnej energie si LRE rýchlo vytvára meno ako high-tech zamestnávateľ a priťahuje do regiónu Appalachia množstvo šikovných ľudí aj mladé talenty.

Premena energie na pohon budúcnosti

Po inštalácii v závode Long Ridge Energy v Hannibale vyvinula spoločnosť Endress+Hauser vopred zmontovanú súpravu na miešanie vodíka, pripravenú na široké zavedenie vodíka v palivových systémoch a potrubiach na zemný plyn. Pokrok v tejto oblasti je spoločným úsilím inžinieringu v mnohých spoločnostiach a disciplínach počas desaťročí a dosiahnuté výsledky sú prísľubom pre budúcnosť planéty. V súvislosti s nárastom výroby energie z obnoviteľných zdrojov je ďalšou výzvou skladovanie energie a vodík je aj tu veľkým prísľubom. Long Ridge Energy, s ambíciou poháňať turbíny 100 % čistým vodíkom v nasledujúcom desaťročí, je lídrom zmeny v oblasti energetiky a ďalšie spoločnosti ju nasledujú a zaväzujú sa k cieľom dekarbonizácie pre udržateľnú budúcnosť.

Záver

Vo svete sú v súčasnosti v prevádzke tisíce plynových turbín. Skúsenosti spoločnosti LRE ukázali, že primárne úpravy potrebné na umožnenie používania vodíkových zmesí sa netýkali samotnej turbíny. Toto zistenie je povzbudivé, pretože dokazuje, že aj ďalšie plynové turbíny na svete môžu byť len s malými úpravami a dodatočným vybavením poháňané zmesou vodíka, aby pomohli dekarbonizovať výrobu elektriny na celom svete. V tomto procese sa LRE tiež ukázala ako dobrý komunitný partner, ktorý pomáha revitalizovať miestnu ekonomiku, čo môže slúžiť ako vzor pre ďalšie elektrárne.