整机丨北大：氢燃料燃气轮机与大规模氢能发电
只有打通从发电到制氢到再发电的所有技术环节，才能实现真正的绿色能源。利用电解水制氢能够实现大规模电能到氢能的转化，氢能如何转化为电能则成为氢能被广泛利用的一个核心问题。目前氢-电转换的主要方法是利用氢燃料电池，包括质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)和固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)。燃料电池发电成本高，规模小，因而仅在轿车、重卡等交通领域具有发展空间，难以实现大规模氢-电转换应用，所以开发能大规模氢-电转换的技术具有重要价值。
1 氢燃料燃气轮机研究现况
自二十世纪八九十年代起，多个国家开始关注氢内燃机(hydrogen internal combustion engine,HICE)和氢燃料燃气轮机(hydrogen fuel gas turbine,HFGT)发电，探索氢能转换的新途径。目前氢内燃机和氢燃料燃气轮机均处于开发阶段[7-9]。表1是质子交换膜燃料电池、氢内燃机和氢燃料燃气轮机的特点比较。氢燃料燃气轮机在输出功率方面远胜于质子交换膜燃料电池和氢内燃机。
表1 氢燃料电池、氢内燃机和氢燃料燃气轮机的特点比较
欧洲和美国正在大力发展氢能动力产业。除氢燃料电池外，欧洲几乎所有主流商用车厂正在关注或已开始氢气发动机的可行性研究。荷兰2018年开始将煤气火力发电站改造成440 MW的氢发电设备，计划2023年试运行[10]；法国2020年启动了12 MW氢燃气轮机发电项目，计划2022年实现混氢发电，2023年实现纯氢发电。美国爱依斯全球电力公司(IPP)2020年启动纯氢燃气轮机发电项目；美国Magnum Development公司也和犹他州政府合作开发840 MW氢燃气轮机发电项目(图1)，计划2025年实现30%氢气混合气体发电，2045年实现纯氢发电。
图1 美国犹他州Magnum Development公司开发的清洁能源储存和发电系统
日本三菱Power株式会社、川崎重工业和大林组等公司在积极开发混氢以及纯氢燃气轮机发电技术[11-12]。三菱Power株式会社的燃气轮机发电效率高达64%，计划在该14 GW的燃气轮机发电中混入30%的氢气燃烧发电，对应的氢消耗量30万t，最终实现纯氢燃气轮机发电，将来对应目标氢消耗量1 000万t[13]，这样既可实现大规模氢-电转换，又能大幅度扩大氢能的应用规模。自2020年5月起，韩国斗山重工公司加快在氢气和燃气轮机领域的技术开发，参与了为300 MW高效氢气涡轮机开发50%氢气环保型燃烧器的国家项目。目前，该公司还着手开发以氨为燃料的氨气涡轮机。
中国起步较晚，《中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望》报告显示，2060年我国电力预计总装机容量约8.0 TW，其中：风电及光伏电合计约6.3 TW，将成为电网中的绝对主力电源；氢燃料发电预计装机达到0.25 TW，在电网中主要起调峰作用。
2 氢燃料燃气轮机的种类和特点
燃气轮机由燃烧器、压缩机、涡轮(或透平)、轴承、进气和排气系统组成(图2)。燃气轮机燃烧器有扩散性燃烧和干式低排放燃烧(dry low emission, DLE)两种形式(图3)。前者将燃气直接喷入空气中，燃烧稳定、可以使用多种燃料，但NOx排放量大，往往通过氮气或水蒸气的混入降低NOx；后者是燃料、空气混合后再喷射和燃烧，为无水燃烧，可通过燃料稀释或者尾气循环燃烧来降低NOx排放，但是只能在一定条件下稳定燃烧，也可能引起回火、断火以及爆震等问题。目前高效大型燃机均采用干式低氮燃烧器。为减少燃气轮机的改造，采用氮气或水蒸气注入稀释的扩散性燃烧技术已不再适用。因此，DLE预混燃烧器或更先进的燃烧器将是未来技术发展的方向。
图2 燃气轮机示意图：(a)燃气轮机的整体；(b)涡轮机
图3 燃气轮机燃烧器的两种类型：(a)扩散燃烧器；(b)DLE燃烧器
3 氢燃料燃气轮机的输出功率和热效率
氢燃料燃气轮机具有输出功率大、范围宽的特点，从40～1 000 MW，大型燃气轮机单体的标准输出功率约为500 MW。如果以体积比例为30%的氢混烧时，由氢燃烧产生的能量约相当于发电能量的10%，那么当以绿氢燃烧时，可降低10%的CO2排放量。1 500 MW的燃气轮机每年氢消耗量约为12 500 t，换算成燃料电池车的氢消耗量相当于10万～13万台(图4)。因此，使用氢混合燃料燃气轮机可大幅减少CO2排放，同时大幅增加氢气的需求量，并促进氢气的广泛应用以及基础设施的建设。
图4 大型氢燃料燃气轮机与燃料电池车的规模比较
按照发电的规模可以将发电分为民用、产业用和发电厂发电3种类型。民用发电中PEMFC和SOFC发电是氢能源利用的主要方式，输出功率为10 W～800 kW，在交通领域的应用尤为受到关注；产业用发电中，氢内燃机为主流，其应用领域广泛，特别是作为应对大规模停电的备用电源；发电厂发电功率往往需要在100 MW以上，氢燃料燃气轮机是很好的选择。2018年三菱重工业株式会社在700 MW输出功率的J系列重型燃气轮机上使用含氢30%的混合燃料测试成功，测试结果证实该公司最新研发的新型预混燃烧器可实现30%氢气和天然气混合气体的稳定燃烧，当前该公司正在开发氢气比例更高的燃烧技术。发电的能源效率随发电机规模的增大而提高，通过燃气轮机直接发电和尾气的蒸汽机辅助发电可以获得60%以上的能源效率，比传统的火力发电效率高很多(图5)[14]。
图5 不同方式的输出功率和发电效率比较
4 氨燃气轮机
氨气是一种含氢量很高的气体，是实现氢能高效、安全储运的载体之一。氨燃气轮机也是一种把氢能转变成电能的技术。利用氨作为燃气轮机燃料的方法有两种，一种是将氨直接投入燃气轮机中燃烧，另一种是将氨分解成氢和氮后再加以利用(图6)。三菱日立会社正在研究后一种氨气的使用方法，致力于开发一种利用燃气排气热分解氨的技术[15-17]。
图6 氨气直接燃烧型和氨气分解燃烧型燃气轮机的示意图
氨分解是吸热反应，将尾气的热量返回到NH3分解装置，可以减少燃料消耗，提高发电效率。使用这种尾气能源利用系统的发电端效率(LHV标准)超过60%[18-20]。
5 从水到水循环的氢能利用系统
氢燃料燃气轮机的一个关键问题是氢气与空气燃烧时会产生NOx，温度越高NOx排放越多。另外，在电解水制氢过程中需要消耗大量的水，每度电大约消耗10 kg水。风力发电和光伏发电通常在无水或缺水地区，因此水资源的有效利用十分重要。如果将电解水产生的氧也储存起来，需要发电时将氧气和氢气一起通入燃气轮机中，同时将尾气中水蒸气回收，可实现水的循环再利用，也避免NOx的产生(图7)。此工艺不仅可以满足光伏发电和风力发电的储能需求，而且可以实现从“水+电”到“电+水”的良性循环和环保效果。该工艺的研发突破将极大推动风电、光伏电以及氢能产业的发展。
图7 可再生能源-氢燃料燃气轮机水循环利用系统示意图
宇宙飞船发射就是利用氢气和氧气燃烧的系统，这说明氢氧燃气轮机是可行的。不同的是储存在发电站的氢气和氧气是气态，而宇宙飞船上的是液态。
6 结论
(1) 氢燃料燃气轮机是能够实现高效率、大规模氢-电能源转换的设备，提供了一种不同于燃料电池发电的途径，对氢能发展具有重大促进作用。
(2) 氢燃料燃气轮机目前仍存在一些问题，最主要的是高温燃烧引起的NOx排放、氢气易燃烧、氢气与空气预混合引起的回火和爆震。因此，需要在加深氢燃烧特性理解的基础上，提高抑制NOx排放和氢气燃烧控制的技术水平。
(3) 我们提出的从水到水循环的氢能利用系统的概念，可以同时实现CO2和NOx的零排放，为大功率光伏发电和风力发电系统提供一种大型环保的储能系统，是一个值得探索的方向。
