توربین‌های گازی به دلیل ویژگی‌هایی مانند تولید توان بالا در فضای کوچک، راه اندازی سریع و امکان ترکیب با سیستم‌های دیگر تولید برق، به طور گسترده‌ای در نیروگاه‌ها استفاده می‌شوند. این توربین‌ها عمدتاً در سیکل‌های برایتون به کار می‌روند که شامل سه بخش اصلی هستند: کمپرسور، محفظه احتراق و توربین گاز. عملکرد این سیستم‌ها تا حد زیادی به فرآیند احتراق و نوع سوختی که در محفظه احتراق استفاده می‌شود بستگی دارد. سوخت‌های فسیلی مانند برش‌های مختلف نفت خام و گاز طبیعی، اصلی‌ترین سوخت‌های مورد استفاده در این توربین‌ها هستند. اما استفاده از سوخت‌های فسیلی همراه با انتشار گازهای گلخانه‌ای، مانند کربن دی‌اکسید، باعث آسیب‌های جدی به محیط زیست می‌شود. هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک و دوستدار محیط زیست می‌تواند جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای باشد. از اینرو امکان جایگزینی هیدروزن به سایر سوخت های فسیلی در توربین های گازی از منظر فنی و اقتصادی مورد بررسی قرار گیرد.
چرا هیدروژن؟
هیدروژن یک سوخت پاک است که در فرآیند احتراق، هیچ کربن دی‌اکسیدی تولید نمی‌کند و تنها محصول نهایی آن آب است. این ویژگی، هیدروژن را به یک گزینه مناسب برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی تبدیل می‌کند. علاوه بر این، هیدروژن دارای محتوای انرژی بسیار بالایی است؛ حدود 120 مگاژول بر کیلوگرم، که به مراتب بیشتر از بنزین است که 44 مگاژول بر کیلوگرم انرژی دارد.
شکل زیر نشان دهنده رابطه بین انتشار کربن دی اکسید و ترکیب‌های سوخت هیدروژن/متان (به درصد حجمی) است. همانطور که در این شکل نشان داده شده است، این رابطه غیرخطی است. توربین‌های گازی به یک ورودی حرارتی ثابت نیاز دارند و چون هیدروژن چگالی انرژی حجمی کمتری دارد، وقتی سوخت بر اساس ورودی حرارتی تنظیم می‌شود، مقدار هیدروژن کمتری نسبت به زمانی که بر اساس حجم تنظیم می‌شود، مورد نیاز است. به همین دلیل است که مقدار قابل توجهی از متان باید با هیدروژن جایگزین شود (بیش از ۵۰ درصد) تا تأثیر قابل توجهی در کاهش انتشار کربن دی اکسید داشته باشد. به عنوان مثال، در صورتی که 50 درصد از ترکیب حجمی سوخت شامل هیدروژن و 50 درصد نیز متان باشد، 24 درصد از کل انرژی حرارتی تولید شده از هیدروژن تأمین می‌شود که منجر به کاهش تقریبی 20 درصدی در انتشار کربن دی اکسید می‌شود.
تأثیر استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت
استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت توربین گازی، در کنار مزایای محیط‌زیستی‌اش، چالش‌هایی نیز به همراه دارد، که مهمترین آنها عبارتند از:
- چگالی انرژی حجمی کمتر:
هیدروژن حدود یک سوم چگالی انرژی حجمی متان را دارد. این به این معنی است که برای تولید همان مقدار انرژی، باید حجم بیشتری از هیدروژن به سیستم تزریق شود که نیازمند تغییرات و بهینه‌سازی‌های در سیستم‌های فعلی است. این مسئله می‌تواند در سیستم‌های سوخت گازی نیروگاه‌های موجود که قصد تبدیل توربین‌های گازی به هیدروژن را دارند، مشکل ایجاد کند.
- واکنش پذیری بالای هیدروژن:
الف- هیدروژن به دلیل دمای بالای شعله‌ای که تولید می‌کند، می‌تواند منجر به افزایش تولید اکسیدهای نیتروژن (NOx) شود. برای کنترل این موضوع، نیاز به تکنیک‌های جدید یا تغییراتی در سیستم احتراق است. برای ماندن در محدوده‌های مجاز NOx، در حجم‌های بالاتر هیدروژن، کاهش توان یا احتراق مرطوب ضروری خواهد بود. در حال حاضر، بیشتر توربین‌های گازی می‌توانند ترکیب‌های سوختی 25 تا 30 درصد هیدروژن را بدون تغییرات طراحی یا محدودیت‌های عملیاتی (کاهش توان یا احتراق مرطوب برای کاهش انتشار NOx) تحمل کنند.
ب- سرعت بالای شعله هیدروژن باعث می‌شود جلوی شعله به سمت بالادست به منطقه پیش اختلاط حرکت کند و بنابراین به مشعل نزدیکتر شود. این امر خطر به اصطلاح وقوع پدیدهای به نام بازتاب شعله (flashback) را افزایش می‌دهد.
- برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب به مقدار زیادی انرژی و آب برای تولید نیاز است. همچنین تولید هیدروژن مبتنی بر ریفرمیگ گاز طبیعی نیز تامین پایدار گاز طبیعی نیاز دارد و همچنین میزان انتشار آلاینده (کربن دی اکسید) بالایی به همراه دارد که توجیه پذیری اقتصادی استفاده هیدروژن را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
- هیدروژن یک گاز خطرناک است و نیاز به اقدامات ایمنی بیشتری در طراحی و راه اندازی سیستم‌ها است.
(جهت مطالعه مقاله مقدمه‌ای بر زنجیره تأمین حامل‌های هیدروژن: از تولید تا آزادسازی هیدروژن اینجا کلیک کنید)
جمع بندی
توربین‌های گازی به دلیل کارایی و انعطاف پذیری بالا ، یکی از اصلی‌ترین فناوری‌های تولید برق هستند. با این حال، استفاده از سوخت‌های فسیلی در این توربین‌ها منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود. برای کاهش این انتشار، هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک و بدون کربن پیشنهاد شده است.
هیدروژن دارای محتوای انرژی بالایی است و در مقایسه با سوخت‌های فسیلی، هیچ کربن دی اکسیدی منتشر نمی‌کند. با این حال، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در توربین گازی چالش‌هایی نیز دارد. از جمله این چالش‌ها می‌توان به چگالی انرژی حجمی کمتر، واکنش پذیری بالا و نیاز به اقدامات ایمنی بیشتر و همچنین صرفه اقتصادی استفاده از هیدرژون به عنوان سوخت در مقایسه استفاده از سوخت‌های فسیلی متناسب با قیمت برق اشاره کرد.. استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت توربین گازی می‌تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند، اما نیازمند تغییرات و بهینه‌سازی‌های قابل توجهی در سیستم‌های موجود و همچین توسعه فناوری‌های تولید هیدروژن در مقیاس اقتصادی است.
