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Aug 24, 2023

「独創的な研究」: レシプロエンジンに水素を混合した結果を調べる

Dai un'occhiata alla nostra recente intervista personale con il Dr. Andrew Maxson dell'EPRI di seguito.

ミシガン州で最近行われた水素混合テストについて、EPRI のアンドリュー・マクソン博士との以下の 1 対 1 のインタビューをご覧ください。このテストでは、系統接続されたレシプロ エンジンで体積比 25% の水素の混合に成功しました。

ウィスコンシンに本拠を置く WEC エナジー グループ (WEC) は、中西部のエネルギー子会社全体で排出量削減に取り組んでいます。 同社は、2050年までにカーボンニュートラルを達成し、2030年までに排出量を2005年レベルから80％削減するという目標を掲げている。

この目的を達成するために、WEC は低炭素燃料の使用を検討しています。 その子会社の 1 つであるアッパー ミシガン エネルギー リソース コーポレーション (UMERC) は、AJ ミム発電所で水素と天然ガスの混合デモンストレーションを主催しました。 2022年の秋に実施されたこのデモでは、同工場にある系統接続された3基の18.8MWバルチラレシプロエンジンのうちの1基に水素を混合することが行われた。

電力研究所 (EPRI) を含むパートナーは、テストされたエンジンに体積比 25% の水素燃料が混合されることを実証しました。 他のプロジェクト チームのメンバーには、Blue Engineering、Burns & McDonnell、Certarus、Lectrodryer、Mostardi Platt が含まれていました。 EPRI は 3 月に混合デモンストレーションの結果を発表し、私たちは非営利団体のシニア プログラム マネージャーであるアンドリュー マクソン博士とそれについて話し合う機会がありました。

ブレンディングプロジェクトの概要へのリンク

マクソン氏は、これを「独創的な研究」と呼び、これは商用規模で系統に接続され、稼働しているレシプロエンジンでの初めての水素混合試験であると述べた。

レシプロエンジンはガスタービンに比べて燃料と運用の柔軟性に優れていると同氏は述べた。 再生可能エネルギーの普及率が高い地域では、迅速に起動して電力網のバランスをとることができます。 エンジンは事実上あらゆる燃料の燃焼に優れているため、燃料の品質があまり良くない場所にも設置できます。 マクソン氏は、それがブレンドテストの工場と場所を選択する際の要因だったと述べた。

「この特定の地域では、低圧の天然ガスとさまざまな品質の天然ガスが存在しますが、これらの天然ガスはタービンよりもエンジンの方がうまく処理できます」とマクソン氏は述べています。 「それが彼らがエンジンを採用した主な理由の一つでした。」

水素は可燃性が高く、漏洩しやすいため、現場では安全を確保するための詳細な計画が講じられました。

エンジンの安全な動作条件が事前に特定され、重要な性能指標が設定されたしきい値を超えた場合に是正措置が講じられました。

「私たちはこの問題を非常に真剣に受け止め、経験豊富なチームがこれに参加しました」とマクソン氏は語った。

AJ ミーム工場を訪問するすべての請負業者は、現場のすべての担当者が工場の既存の安全方針と手順に精通していることを確認するために、オンライン環境、健康、安全に関するオリエンテーションを完了する必要がありました。

書面と口頭の両方の形式のコミュニケーションが採用され、危険エリアや追加の個人用保護具が必要な場所を示す標識が工場全体に設置されました。

水素混合システム装置の周囲には立ち入り制限区域が設けられました。 州外から持ち込まれた混合装置の位置は、全米防火協会 2 – 水素技術の要件を満たすことに加えて、施設内へのアクセス、道路、燃料ガス提携施設への近さ、優先エンジンに基づいて決定されました。コード (NFPA 2)。

純粋な水素に触れるすべての機器と配管は、米国機械学会 (ASME) コードの認証を受けています。 水素漏れ検出テープ (水素が接触すると黒くなる黄色のテープ) が、純粋な水素または水素と天然ガスの混合物のいずれかを含む配管のすべてのフランジ接続に適用されました。 すべてのフランジ接続は、各エンジンの始動前と各エンジンの停止またはトリップ後に検査されました。

エンジンが作動しているときは、エンジンホールへの立ち入りは禁止されていました。 水素漏れの可能性を検出するために、水素検知モニターがそこに設置されました。

水素供給、減圧、燃料混合装置を直接操作するチームメンバーは、通常の操作手順の一環として個人用水素ガスモニターを着用する必要がありました。

最終的に、エンジン自体からのものも含め、テスト中に水素漏れの証拠はありませんでした。

「私たちはかなり慎重でしたし、多くのことを学びました」とマクソン氏は語った。 「その結果として、私たちは水素の取り扱いについて業界に伝えることになる多くの教訓を学んだと思います。」

系統接続された 18.8 MW バルチラ レシプロ エンジンは、さまざまなエンジン負荷でテストされ、水素含有量が 10 ～ 25 体積％の範囲のさまざまな燃料混合物で動作することがテストされました。

さまざまな水素レベルがテストされる中で、機械的な変更を加えずにエンジンがどのように機能するかを確認することがチームにとって重要であるとマクソン氏は強調しました。 結局のところ、このエンジンは 25% の水素混合物 (テストされた最高の割合) で、機械的な改造は必要ありませんでした。 マクソン氏によると、変更されたのはエンジン負荷が増加した際の手動調整だけだという。

５０％のエンジン負荷運転では、エンジンは最大２５体積％の水素混合物で確実に動作できたため、エンジンのチューニングは行われなかった。

75% および 100% のエンジン負荷運転では、エンジンの安定した動作を維持するために給気圧力と点火時期が調整されました。

50%、75%、および 100% のエンジン負荷運転のそれぞれについて、エンジンは、25% の水素混合物を除くすべての水素混合物で全負荷設定値を達成することができました。

そのブレンドでは、エンジンは 95% の能力しか発揮できませんでした。 マクソンが説明したように、エンジンは密閉された容積を持ち、水素は天然ガスよりもエネルギー密度がはるかに低いです。 したがって、エンジンが提供できるすべての出力を生成するのに十分な水素を [エンジン] シリンダーに入れることは困難です。

「混合比が 25% の時点では、エンジンの全能力を発揮できないだろうと考えていました」とマクソン氏は語ります。 「そして、私たちは 15% もの削減を期待していました。そして、わずか 5% しか削減できませんでした。エンジンがまだそれだけの出力を出せることに、誰もが大喜びしていました。」

研究チームは、100% 天然ガスのベースラインと比較して、さまざまなエンジン負荷および水素ブレンドでの排出量、発熱量、効率を測定しました。

予想通り、導入される水素のレベルが増加すると、二酸化炭素レベルは減少しました。 25 体積％の水素を同時燃焼すると、CO2 は約 10％ 削減されました。

「これらはすべて私たちが予想していたことでしたが、実際に見てうれしかったです」とマクソン氏は語った。 「測定結果が期待を裏付けるものであれば、それは常に良いことです。」

一酸化炭素 (CO) と窒素酸化物 (NOx) も、エンジン出口とスタックに向かう選択触媒還元 (SCR) システムの出口の両方で測定されました。 水素の使用に関する環境上の懸念の 1 つは、水素は天然ガスなどの他の燃料よりも高温で燃焼し、より多くのサーマル NOx を生成する可能性があることです。

マクソン氏は、NOx 制御を行わずに水素を混合した場合、チームは場合によってはエンジンから排出される NOx の増加を確認したと述べた。 しかしマクソン氏は、NOx SCR制御の後は、ベースラインと比較して煙突から排出されるこれらの排出量にほとんど変化がなかったと述べた。

「劇的ではなかった」とマクソン氏は、制御されていないNOx排出について語った。 「そして、空燃比を増やすことでエンジンの作動方法を少し変更し、燃焼が少し希薄になるようにしました。それにより、この高温の発生がいくらか軽減されました。」

制御されない排出

• エンジン負荷 50% 時: 水素混合比の増加によるより高速でより完全な燃焼の結果、CO 排出量は 21 ～ 35% 減少しました。 対照的に、水素含有量が高くなるとシリンダー温度の上昇により NOx が 21 ～ 74% 増加しました。 これらのテスト実行ではエンジンのチューニングは行われませんでした。

• エンジン負荷 75% の場合: NOx 排出量を下げるためにベースラインを実行した後、エンジンが再調整されました。その結果、NOx 排出量は実際に水素ブレンドの体積比 10% および 15% で低くなり、その後 25% の時点でベースラインを 20% 上回って増加しました。体積水素。 チームは、さらに低いNOx排出レベルを維持するためにさらなるエンジンチューニングを行うことができたかもしれないと指摘した。 CO 排出量はテスト全体で 10 ～ 25% 減少し、水素含有量に応じて減少量は増加しました。

• エンジン負荷 95% の場合: NOx を削減するためにエンジンが手動で調整され、燃料中の炭素含有量の低下により CO が部分的に減少したため、CO と NOx の排出量はベースラインより大幅に減少しました。

• 100% エンジン負荷時: NOx を低く保つために空燃比と点火時期が変更されたため、12 体積% の水素全負荷テスト中に CO 排出量が 20% 増加しました。 NOx 排出量はベースラインより 58% 大幅に減少しました。

排出ガスの制御

排出規制後の CO および NOx の煙道排出量は、すべてのケースおよびテスト実行において、プラントの規制上の許可限度を大幅に下回りました。

• エンジン負荷 50% の場合: CO 排出量は最大 15% 減少し、NOx は 13 ～ 17% 減少しました。

• エンジン負荷 75% の場合: CO 排出量は 12 ～ 18% 減少し、NOx は 10 ～ 20% 増加しました。

• エンジン負荷 95% の場合: CO 排出量は 18% 増加し、NOx は 2.5% 減少しました。

• 100% エンジン負荷時: 体積比 12% の水素全負荷テスト中に CO 排出量は 54% 増加しましたが、NOx はベースラインと同程度でした。

効率性

25% の水素混合物では、熱速度と効率は天然ガスのベースラインと比較してほぼ同じでした。 熱性能の観点から見ると、マクソン氏はエンジンは基本的に同じように動作したと述べた。

「場合によっては、少し高い場合もあれば、少し低い場合もありましたが、それほど目立ったものはありませんでした」とマクソン氏は語った。 「水素がエンジンの効率に実際には影響を及ぼさないということは素晴らしいニュースでした。」

マクソン氏は、この試験はエンジン製造会社バルチラにデータを提供するのに役立ち、バルチラはこれらの結果を利用して水素対応車両の開発を加速できると述べた。 テスト中の水素量の増加に対応するための手動調整は、理想的には同社の将来のエンジン設計に実装されるでしょう。

バルチラは、2025 年までに 100% 水素燃焼エンジンの商業化を目指しています。

マクソン氏は、エンジンが100%の水素を処理できるようにするには、いくつかの機械的な変更が必要になるだろうと述べた。

その 1 つは、圧縮比を変更して温度を下げ、NOx の増加やエンジンのノッキングを回避することです。 マクソン氏は、点火をより適切に制御するために予室燃焼を実装することもさらなる調整の可能性があると述べた。

漏れを防ぐために、配管も 100% 水素のコード認証を受ける必要があります。

「長期的には、水素は脆化により特定の金属を破壊する可能性もあります」とマクソン氏は述べた。 「したがって、エンジンに出入りする水素を 100% 処理できるようにするには、適切な材料を使用する必要があります。」

注: 現在、2024 年 1 月 23 ～ 25 日にニューオーリンズで開催される POWERGEN International でのプレゼンテーションの講演者の提出を受け付けています。 トピックには、「水素の潜在力のロック解除」トラックを通じた水素の同時燃焼が含まれます。 ここから講演者ラインナップに参加するチャンスを得るためにアブストラクトを送信してください。