1、113第 45 卷第 2 期 科技进展Chinese Journal of Nature Vol.45 No.2 PROGRESS 随着CO2减排的推进，光伏电、风电等可再生清洁能源技术得到迅猛发展，这些波动性可再生能源的储存是能源转型的主要挑战之一，因此大规模能源储存技术的开发至关重要。将剩余的电力转化成氢气以氢能的形式储存起来，在需要用电的高峰期再将氢能转化成电能，是一个有效的能源储存方式。大规模发展风电和光伏电除了可以提供廉价的电力外，还能大幅度降低绿氢的制备成本，使得电解水制氢可以与化石燃料制氢竞争，从而也解决了绿氢发展的瓶颈问题1-6。只有打通从发电到制氢到再发电的所有技术环节，才能
2、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 interna
3、l 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。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*国家自然科学基金项目(51971004)通信作者，研究方向：微米/纳米材料、能源材料及氢能利用。E-mail:DOI:10.3969/j.issn.0253-9608.2022.03.0
4、06氢燃料燃气轮机与大规模氢能发电*李星国北京大学 化学与分子工程学院，稀土材料化学及其应用国家重点实验室/北京分子科学国家研究中心，北京 100871摘要 清洁可再生氢能源的利用被视为CO2减排的一个重要途径，受到世界各国的高度重视。从电能到氢能再到电能的高效转换是氢能利用的核心技术之一。产业上大规模高效氢能到电能的转换技术需要100 MW以上的功率，而依靠目前的燃料电池技术难以满足。氢燃料燃气轮机可以实现大规模氢能到电能的转换，且转化效率会随着功率的提高而提高，将是一种重要的氢能发电技术。文章对氢燃料燃气轮机的性能特点、各国研究动态、机种类型和特点、输出功率和热效率、氨燃气轮机等进行了介绍
5、，同时提出利用氢燃料燃气轮机实现从水到水循环的氢能利用系统的设想。关键词 氢气；氢燃料燃气轮机；氢能发电；CO2排放；燃料电池114Chinese Journal of Nature Vol.45 No.2 PROGRESS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 M
6、W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。表1 氢燃料电池、氢内燃机和氢燃料燃气轮机的特点比较领域氢燃料电池氢内燃机(HICE)氢燃料燃气轮机(HFGT)优势无CO2和NOx气体排放；PEMFC功率：10 W800 kW；SOFC功率：100 kW1 MW；体积小、能源效率高、无噪声；能源效率：60%70%无CO2排放；功率：50 W10 MW；不需要高纯氢气、可与其他燃料混用；工作温度：-4060；启动和加速性能好；可沿用相关的设备、工厂和就业无CO2排放；功率：501 000 MW；与天然气用燃气轮机的互换性好；可通过燃烧器改造来实现氢
7、燃烧；可与天然气混合使用；兼顾燃料的灵活性和稳定运用；氢-电-热联用效率60%主要问题受贵金属催化剂资源限制、要求高纯氢气、功率不易做大、气动性能差；工作温度0；成本高、关键技术仍待开发氮化形成少量或微量的NOx；回火、早燃和爆燃等异常燃烧严重；有噪声氢燃烧产生的NOx排放；燃氢过程中的燃烧振荡以及回火风险控制；需设计制造出耐高温的燃烧室和叶片材料主要应用领域小型电源、轿车、公共汽车、卡车、无人机、小型船舶等轿车、公共汽车、卡车、飞机、船舶、备用电站等大型备用电站、发电厂供电、电网移峰填谷、太空发射等图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P
8、ower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t13，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206
9、0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115第 45 卷第 2 期 科技进展Chinese Journal of Nature Vol.45 No.2 PROGRESS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
10、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401 000
11、 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。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 W800 kW，在交通领域的应用尤为受到关注；产业
12、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116Chinese Journal of Nature Vol.45 No.2 PROGRESS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
13、火力发电效率高很多(图5)14。图4 大型氢燃料燃气轮机与燃料电池车的规模比较图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。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
14、。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117第 45 卷第 2 期 科技进展Chinese Journal of Nature Vol.45 No.2 PROGRESS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
15、+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6 氨气直接燃烧型和氨气分解燃烧型燃气轮机的示意图图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
16、，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。致谢 感谢北京大学新能源与纳米材料实验室王琳琳协作整理稿件。(2022年1月22日收稿)118Chinese Journal of Nature Vol.45 No.2 PROGRESS参考文献1 BAILERA M,LISBONA P,ROMEO L M,et al.Power to gas projects review:lab,pilot and demo plants for storing renewable energy and CO2 J.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2017,69:292-312.2 International Renewable Energy Agency.Green hydrogen cost reduction:scaling up electrolys
