“氢”钧一“发”！首台100%氢能燃气机成功运行
发布日期：2024/1/10
氢能在未来能源系统中将扮演重要角色。氢气不仅可取代传统化石燃料应用于交通运输与取暖、加热，亦可作为化工、炼钢与炼油之原料，帮助相关产业达成低碳转型。更关键的是，氢气还可作为燃料用于发电，起到可再生能源储存的作用。
目前，氢能作为发电用燃料，主要按照一定比例跟天然气混合起来一起燃烧。使用传统燃气轮机掺氢技术，好处是不仅能增加天然气的燃烧值，还可以利用天然气管道等基础设施，对现阶段氢气运输、氢能的广泛及规模运用开拓更多的可能性。
目前，日本、韩国、英国、美国、比利时、德国等国家均已启动了天然气掺氢规划。
图说：氢能应用之架构
来源：修改自Hydrogen Council and McKinsey & Company
但毕竟天然气燃烧也会排放二氧化碳，为了实现净零排放，迈向100%纯氢时代，是各界努力的目标，每一次掺氢比例提高，都攻克每一道技术难关。
目前，燃气轮机掺氢比例最高的是由韩国韩华公司创造。
2023年4月，韩华公司表示，在首尔附近大山Daesan运行的80MW的燃气轮机机组，以59.5%掺氢比例运行，创造了中大型燃气轮机掺氢比例的新纪录。和利用天然气相比，该燃气轮机CO2排量减少了22%，NOx排放量仅减少了30%。
不要小看这一进步，随着掺氢比例的提高，技术挑战也越来越大。其中之一是天然气和氢气的燃烧方式不同所致。由于氢气比传统燃料具有更快的运动性和更快的燃烧速度，因此当燃烧速度和燃料供应速度不匹配时，容易发生回火(flashback)现象。因回火，火焰反向进入燃烧室的话，可能对设备造成严重损坏并导致输出功率不稳。
为了保障高效、稳定，必须改造燃气轮机的燃料零部件和安全系统。韩华PSM的防回火技术“FlameSheetTM”，可以明显降低改装后的燃气轮机回火风险，保障发电稳定。
尽管这个记录震惊了业界，但韩华公司并没有就此止步，最近又迎来了新的突破。
2023年12月20日，韩华集团旗下公司Hanwha Impact 和 Hanwha Power Systems宣布，公司已通过将 80 兆瓦中大型燃气轮机中的掺氢混合比从 60% 提高到 100%，并演示了全氢燃烧过程。
图说：在韩华大山工厂的80兆瓦级燃气轮机。
来源：韩华集团
“掺氢发电”是指对使用液化天然气发电的现有燃气轮机进行改造，使其能够混合燃烧液化天然气和氢气。当氢的比例增加到 100%，不再使用液化天然气时，就被称为 "全氢燃烧"。
全氢燃烧的好处显然易见，因为氢燃气不含碳原子，所以不会排放任何微粒或一氧化碳、二氧化碳，但这一过程的挑战却非常多。
GE燃气发电集团中国区产品技术总经理阎福华对澎湃新闻解释称，掺氢从50%到100%，依然有许多技术难题处于研发过程中，总体上包括燃烧技术、材料技术、控制技术、氮氧化物的控制技术四大类。
比如在燃烧方面，氢的比例越高、燃烧面临的挑战就越高。很多配套设施，譬如辅机、密封、管道、通风、危险气体探测，以及火焰检测等一系列技术，仍需要在各类型机组上进行验证。
此外，随着燃料中氢比例的提高，氢对管道金属材料造成的氢脆腐蚀会加重；控制不仅仅针对燃机本身，而是整个联合循环电厂；燃烧温度越高，氮氧化物，也就是NOx的产生会越多，掺氢比例逐步提高后，如何将氮氧化物的排放控制在一定范围内，满足环保规范，也是一个技术难题。
韩华在这一领域的技术实力促成了这次成功的演示。韩华的氢气涡轮发电即使没有单独的还原装置，也能通过控制燃烧条件实现减碳效果和低污染燃烧。
这项测试标志着韩华向无碳低排放发电迈出了重要一步。涡轮机运行期间排放的二氧化碳浓度为4 ppm，相当于燃烧过程中产生的二氧化碳几乎为零。氮氧化物的排放量经证实低于 9ppm，无需任何额外的减排装置。
韩华的氢气涡轮机技术可延长现有电力设施中老化涡轮机的使用寿命，预计将在环境和经济方面发挥重要作用。将这项延寿技术应用于面临淘汰的液化天然气燃气轮机，有可能带来双倍的经济效益，在实现电力行业脱碳的同时，还可以防范大量现存资产搁浅。
随着全世界更多地引入可再生能源电网，燃气发电厂要求关闭的可能性增大。虽然关闭这些发电厂对未来环境有利，但也意味着全世界50%以上的化石燃料资产到2036年要完全废弃。
这么大的规模会对世界经济产生重大影响。为了缓解全球经济潜在的不安，需要利用现有系统提出面向未来的解决方案。掺氢就是一个很好的铺路石。通过改造燃气基础设施，可以为老旧系统赋予新的生命，大大扩展其运营价值，降低资产搁浅的风险，降低碳排放，满足当前和未来的能源需求。
将风电和光伏等可再生能源，转化为绿氢，再用绿氢发电，尽管这里的转换效率比较低，但可增加对风光的吸纳能力，将氢气用作长期储存和对各种可再生能源的补偿，还是非常有意义。如果需要季节性储能——冬天夏天使用太阳能，秋天到夏天使用风能——氢气就可以完成这一过程。
一旦能利用过剩的可再生能源电力，那么就可以将可再生能源实际利用率翻一番甚至更高。
未来十年左右，各国必须对电力部门进行深度脱碳，届时以氢能为基础的电气化将大规模发生。我们要为此做好准备。
来源：环球零碳
