燃气轮机氢能转型机遇和挑战并存
随着全世界内对绿色低碳转型的追求，燃机行业也逐渐达成了向燃烧纯氢转型的共识。我国的上海电气、杭汽轮集团正在推进相关研究，加大燃气轮机中的掺氢比例。此前，美国GE公司曾表示，其在全球已有超过100台采用低热值含氢燃料的机组在运行，预计2030年将具备100%燃氢能力。欧盟和日本也计划在2030年前推出100%重型氢燃气轮机。
有观点认为，燃气轮机燃料从天然气到掺氢、再到纯氢，转型仍要比较长时间。不过，尽管面临挑战，但较低的改造成本和拉动绿氢需求上升的潜力，依然让燃气轮机向氢能的转型充满机遇。
据了解，与蒸汽轮机相比，燃气轮机具有功率大、效率高、启动快、体积小、重量轻等一系列优势。有数据显示，同等功率下，燃气轮机体积仅相当于蒸汽轮机的1/5到1/10，并且，燃机转子轻巧，在启动机帮助下几分钟就可以达到最高转速。
《燃气轮机氢能发电全球技术发展蓝皮书》（以下简称《蓝皮书》）指出，利用风光制绿氢可以显著增强电力系统的运行灵活性，借助燃氢燃气轮机技术，可提升电力系统的供应保障能力并提供安全稳定性支撑。业内人士表示，现在的主流用氢方案还是利用燃料电池驱动汽车，或是用来制氨气和甲醇解决氢气运输难题，但这些方案对绿氢需求有限，而燃气轮机则使大规模氢能消纳成为可能。“纯氢燃气轮机的特点决定了它可以刺激氢气的商业需求，进而倒逼氢能生产成本降低。”
不过，燃气轮机为实现从用天然气到用氢的转型，仍需要利用掺混燃烧作为过渡。“为现有燃气轮机开发改造解决方案是推动与实施燃氢燃气轮机技术的关键因素。”《蓝皮书》指出，最初可以通过对现有燃烧室进行相对较小的改造，从而允许将氢气混合燃烧到最大含量，然后再进一步开发新型燃烧室，使燃机使用的氢气含量达到100%。
日本对氢能应用布局较早。日本自然能源财团曾发布报告对日本的氢能战略作出分析。该报告认为，氢能应优先用于没有其他脱碳手段的领域，直接使用其他新能源就可实现高效减排的领域，不应过分依赖氢能。而日本先前则将氢能发展的重点置于用作热电联产的家用氢燃料电池和车载氢燃料电池，这些领域不仅对氢能的需求有限，相比之下热泵和纯电动汽车才是更有性价比的选择。
“日本已将其氢能战略的重点转向针对现有的火力发电厂，推进使用氢气或氨气掺混燃烧。”报告指出，日本《基本能源计划》要求2030年1%的电力供应由氢气和氨气掺混燃烧发电来满足，这将需要近80万吨氢气。该计划还要求日本到2030年保有80万辆氢燃料电池车，但车辆的氢能需求仅为发电的1/4。也就是说，到2030年，日本大部分氢能需求增长将来自掺混燃烧发电。
日本自然能源财团的报告认为：“在可再生能源为主导的电力系统中，绿氢和绿氨掺混燃烧发电可能发挥一定作用。从这一意义上说，技术发展本身的必要性不可否定。然而，作为向纯氢氨过渡的掺混燃烧，是否能定位为积极的减排措施还有待商榷。”
此外，也有分析认为，绿色能源和过渡性改造项目并不相同，例如，欧盟就根据碳排放量对两者进行了划分。而在有限的资金下，是选择技术壁垒和投入较高但排放更低项目，还是选择改进设备但保留一定排放的项目作为过渡，两者可能存在着竞争关系。
从掺混燃烧向纯氢燃烧过渡，最终实现燃气轮机的清洁化，仍需要绿氢供应量的提升。有业内人士指出：“绿氢的生产来自于绿电，绿氢的大规模开发利用，取决于可再生能源发电技术的进步和成本下降。成熟的绿氢制备体系需要建立在经济、高效的可再生能源发电体系基础之上。同时，绿氢也为促进可再生能源大规模开发利用提供有力支撑。”
但与其他用氢方式相比，纯氢燃机有较大优势。《蓝皮书》指出，燃气轮机本来使用基础设施完善的天然气作为燃料来源。现有的基础设施仅需少量或无需任何改造就可以输送氢气和天然气混合物，这使得整个系统可以重复使用，而无需大量费用。燃氢燃气轮机的设计在一定程度上依赖于现有燃气轮机技术。仅需要改造燃烧室和一些辅助部件，大多数现有燃气轮机可以部分或完全燃烧氢气。这种转换不仅可以避免巨额支出，还可以节省将现有大型燃气轮机转换为燃氢工况的时间。这一优势还将反哺于燃气轮机行业，赋予现有设备新的经济增长点。
明阳氢燃业务相关负责人表示，纯氢燃气轮机的另一大优势在于可以与化工和炼油厂等其他行业耦合。利用热电联产电厂中纯氢燃气轮机的余热，实现诸如供热、化工、冶金等传统碳排放行业的深度脱碳。“随着‘双碳’目标深入推进，纯氢燃气轮机的发展可以成为未来的碳中和技术，实现能源行业长期深度减碳，同时整合更多可再生能源。”
随着全球范围内对绿色低碳转型的追求，燃机行业也逐渐达成了向燃烧纯氢转型的共识。我国的上海电气、杭汽轮集团正在推进相关研究，加大燃气轮机中的掺氢比例。此前，美国GE公司曾表示，其在全球已有超过100台采用低热值含氢燃料的机组在运行，预计2030年将具备100%燃氢能力。欧盟和日本也计划在2030年前推出100%重型氢燃气轮机。
有观点认为，燃气轮机燃料从天然气到掺氢、再到纯氢，转型仍需要较久。不过，尽管面临挑战，但较低的改造成本和拉动绿氢需求上升的潜力，依然让燃气轮机向氢能的转型充满机遇。
据了解，与蒸汽轮机相比，燃气轮机具有功率大、效率高、启动快、体积小、重量轻等一系列优势。有多个方面数据显示，同等功率下，燃气轮机体积仅相当于蒸汽轮机的1/5到1/10，并且，燃机转子轻巧，在启动机帮助下几分钟就能够达到最高转速。
《燃气轮机氢能发电全球技术发展蓝皮书》（以下简称《蓝皮书》）指出，利用风光制绿氢可以明显地增强电力系统的运行灵活性，借助燃氢燃气轮机技术，可提升电力系统的供应保障能力并提供安全稳定性支撑。业内的人表示，现在的主流用氢方案还是利用燃料电池驱动汽车，或是用来制氨气和甲醇解决氢气运输难题，但这些方案对绿氢需求有限，而燃气轮机则使大规模氢能消纳成为可能。“纯氢燃气轮机的特点决定了它能刺激氢气的商业需求，进而倒逼氢能生产成本降低。”
不过，燃气轮机为实现从用天然气到用氢的转型，仍需要利用掺混燃烧作为过渡。“为现有燃气轮机开发改造解决方案是推动与实施燃氢燃气轮机技术的重要的条件。”《蓝皮书》指出，最初能够最终靠对现有燃烧室进行比较小的改造，从而允许将氢气混合燃烧到最大含量，然后再进一步开发新型燃烧室，使燃机使用的氢气含量达到100%。
日本对氢能应用布局较早。日本自然能源财团曾发布报告对日本的氢能战略作出分析。该报告认为，氢能应优先用于无另外的脱碳手段的领域，直接用其他新能源就可实现高效减排的领域，不应过分依赖氢能。而日本先前则将氢能发展的重点置于用作热电联产的家用氢燃料电池和车载氢燃料电池，这些领域不仅对氢能的需求有限，相比之下热泵和纯电动汽车才是更有性价比的选择。
“日本已将其氢能战略的重点转向针对现有的火力发电厂，推进使用氢气或氨气掺混燃烧。”报告说明，日本《基本能源计划》要求2030年1%的电力供应由氢气和氨气掺混燃烧发电来满足，这将需要近80万吨氢气。该计划还要求日本到2030年保有80万辆氢燃料电池车，但车辆的氢能需求仅为发电的1/4。也就是说，到2030年，日本大部分氢能需求量开始上涨将来自掺混燃烧发电。
日本自然能源财团的报告认为：“在可再次生产的能源为主导的电力系统中，绿氢和绿氨掺混燃烧发电可能发挥一定作用。从这一意义上说，技术发展本身的必要性不可否定。然而，作为向纯氢氨过渡的掺混燃烧，是否能定位为积极的减排措施还有待商榷。”
此外，也有分析认为，绿色能源和过渡性改造项目并不相同，例如，欧盟就根据碳排放量对两者进行了划分。而在有限的资金下，是选择技术壁垒和投入较高但排放更低项目，还是选改进设备但保留一定排放的项目作为过渡，两者有几率存在着竞争关系。
从掺混燃烧向纯氢燃烧过渡，最终实现燃气轮机的清洁化，仍需要绿氢供应量的提升。有业内人士指出：“绿氢的生产来自于绿电，绿氢的大规模开发利用，取决于可再次生产的能源发电技术的进步和成本下降。成熟的绿氢制备体系要建立在经济、高效的可再次生产的能源发电体系基础之上。同时，绿氢也为促进可再次生产的能源大规模开发利用提供有力支撑。”
但与其他用氢方式相比，纯氢燃机有较大优势。《蓝皮书》指出，燃气轮机本来使用基础设施完善的天然气作为燃料来源。现有的基础设施仅需少量或无需任何改造就可以输送氢气和天然气混合物，这使得总系统可以重复使用，而无需大量费用。燃氢燃气轮机的设计在某些特定的程度上依赖于现有燃气轮机技术。仅需要改造燃烧室和一些辅助部件，大多数现有燃气轮机可以部分或完全燃烧氢气。这种转换不但可以避免巨额支出，还能节约将现有大型燃气轮机转换为燃氢工况的时间。这一优势还将反哺于燃气轮机行业，赋予现有设备新的经济稳步的增长点。
明阳氢燃业务相关负责这个的人说，纯氢燃气轮机的另一大优点是可以与化工和炼油厂等别的行业耦合。利用热电联产电厂中纯氢燃气轮机的余热，实现诸如供热、化工、冶金等传统碳排放行业的深度脱碳。“随着‘双碳’目标深入推动，纯氢燃气轮机的发展能成为未来的碳中和技术，实现能源行业长期深度减碳，同时整合更多可再次生产的能源。”
