燃气轮机氢能发电全球技术发展蓝皮书

气机氢能发电全球术发蓝 GASTURBINEHYDROGENPOWERGENERATION BLUEBOOKONGLOBALTECHNOLOGYDEVELOPMENT 通往零碳道路的燃气轮机 通往零碳道路的燃气轮机 前言 氢能是一种来源丰富、有广泛应用前景的绿色清洁能源，能够帮助可再生能源大规模消纳，实现电网大规模调峰和跨季节、跨地域储能。氢（氨）燃气轮机作为未来新型电力系统的主要设备，将在未来能源系统中发挥重要作用，是实现碳中和的主要技术路径之一，欧美日等国家已经开展了广泛的示范运行，在国内也引起了能源行业的高度关注。 燃氢燃气轮机技术、燃气轮机氢能发电技术（P2G2P）在全球范围内方兴未艾。本报告在深入研究全球氢能燃烧技术发展现状的基础上，全面梳理了国外主要燃气轮机厂商最新的技术发展成果，总结了国内燃气轮机厂商的燃氢技术进展以及各主要能源企业的示范项目运行情况。 本报告得到了全球能源互联网发展合作组织、中国产业发展促进会氢能分会、国家电投中央研究院碳中和中心、中国科学院力学研究所、清华大学、中国石油天然气集团公司、中海石油气电集团有限责任公司、有研工程技术研究院、华天航空动力有限公司、北京市煤气热力工程设计研究院的指导与支持。 以下单位对本报告作出了贡献。 1 通往零碳道路的燃气轮机 ■氢与能源转型 过度使用化石能源引发的气候变化是人类面临的最大危机。大幅减少化石能源消耗和温室气体排放，控制温升是人类面临的紧迫任务。在人类活动相关的碳排放中，能源活动碳排放占比90%以上，实现能源清洁低碳转型是破解气候环境危机、促进可持续发展的必然要求。 2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会上发表重要讲话，提出中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性绿色革命，本质是推动经济社会全面高质量、可持续发展。 实现全社会碳中和以及能源清洁转型是绿氢产业发展的最大动力。氢在使用过程中零碳排放，可以帮助化工、冶金、航空等难以直接用电的终端用能领域进行全面脱碳，在实现能源转型和碳中和方面将发挥重要作用。但氢只有在源头上实现零碳，方能满足能源转型和低碳发展的需要。当前，全球氢产量的97%来自于化石能源制氢，在生产环节仍然会产生碳排放，无法依靠化石能源制氢实现脱碳。未来，绿氢是氢能产业的必然选择。 绿氢是联结清洁能源和部分终端用能领域的关键纽带。随着能源系统清洁转型的不断深入，供暖、交通等能源消费领域电能替代进程逐渐加快，而航空、航海、工业高品质热、化工、冶金等领域难以直接应用电能实现脱碳。通过清洁电力制备绿氢，可以间接实现这些领域的电气化。氢在清洁能源和难以直接用电的终端用能领域之间发挥关键的纽带作用。 ■氢与电的关系 绿氢的生产来自于绿电，二者的根本都是可再生能源。大规模开发的可再生能源替代化石能源，无论是转化为绿电还是绿氢，都是能源生产清洁化的体现。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。氢及其衍生的合成燃料、原材料借助成熟的工业仓储、物流体系进行存储，有望解决新能源季节性的大幅波动给电力系统带来的“长周期”型灵活调节资源稀缺问题。绿氢与清洁能源发电和谐共生，有力支持可再生能源的发展。 绿氢的应用相当于绿电的延伸，间接提高终端电气化水平。氢的应用广泛，包括航空、航海、化工、冶金等难以实现电气化的领域。在这些领域使用绿氢替代化石能源，相当于间接电能替代，提高终端对清洁电能的总体需求，降低用能侧的碳排放强度，实现能源消费电气化。 绿氢与绿电可相互转化，易于耦合建立多能源品种的零碳能源供应体系。绿氢来自于电解水，也可以通过燃料电池或燃氢燃气轮机进行发电，相比其他能源，氢能更容易实现与电能的双向转化。氢是具有实体的物质，大规模存储相对方便，生产与消费之间不必严格的实时平衡；电是能量形式，传递和使用过程能耗低、效率高。电氢耦合可以充分发挥二者的优势互补作用，显著提高能源系统的灵活性，促进可再生能源消纳，满足终端多种能源需求。 ■燃氢燃气轮机对于构建新型电力系统的作用 利用绿氢的燃氢燃气轮机对新型电力系统的构建将发挥重要作用，是实现碳达峰、碳中和的重要技术手段。 绿氢可以显著增强电力系统的运行灵活性。风光为主的波动性新能源装机占比大幅增加后，源荷双侧不确定性显著增强，将带来不断增长的日内、月度、季节性灵活性需求，特别是若月度电量分布与负荷需求不匹配，将存在季节性电量平衡难题，一般的储能技术无法解决。根据不同技术路线，电制氢技术可以提供秒级至分钟级时间尺度的灵活性；此外，氢及其衍生的合成燃料除终端直接用能外，富余部分进行长期存储，在电力系统出现缺口时通过燃料电池或燃气轮机等发电设备重新转化为电，相比直接储电更易实现大规模长期储能。2060年中国制氢用电量预计将占全社会用电量的20%，其中蕴含着巨大的灵活性潜力。 绿氢可以借助燃氢燃气轮机技术提升电力系统的供应保障能力。风光电源的置信容量低，最小出力与实际容量差距大。随着风光装机占比的不断提升，电量效益明显，但容量效益较弱，特别是极端天气影响风险加大的情况下，系统供电保障能力面临重大挑战。氢能将电能以物质形态储存下来，具有储存时间长、能量密度大、电氢转换方便的优势，能够在系统供应紧张的情况下，通过在供应侧利用燃氢燃气轮机输出电能，在负荷侧调节电制氢负荷，为电力供应提供保障。预计到2060年，中国燃氢燃气轮机装机容量有望突破2亿千瓦，年发电用氢超过1000万吨。 燃氢燃气轮机可为电力系统的安全稳定性提供支撑。在风光电源与跨区直流互联不断增长的趋势下，电力系统电力电子化成为必然趋势。以电力电子装置为基础的机组惯性低、抗扰性弱，机端电压低，逐级升压接入电网后与主网的电气距离是常规机组的2~3倍，将导致电力系统频率和电压稳定面临严峻挑战，宽频振荡等新问题也将由于交流系统的电压支撑较弱、短路比不足而成为隐患。氢燃气轮机属于同步发电机，出力可控性高，具有高爬坡率，频率调节和电压支撑能力强，可以作为煤电等传统机组退出后系统安全稳定的支撑性电源。 2 通往零碳道路的燃气轮机 通往零碳道路的燃气轮机 0102 通往零碳道路的燃气轮机 03 燃氢燃气轮机的优点 氢能电厂的产业基础 氢气燃烧 燃氢燃气轮机的优点 5氢气生产储氢和输氢 氢气供应的稳定性氢能电厂安装与调试的标准与规范 6前沿技术9 8氢气燃烧的挑战和研究需求10 8 8 040506 现有燃气轮机的改造 安萨尔多 16 美国 24 贝克休斯 17 日本 24 通用电气 18 欧洲 25 华天航空动力 19 英国 25 曼能源 20 三菱日立 21 西门子 22 索拉透平 23 燃料灵活性14 对电厂性能和灵活性的影响14 对热通道部件寿命的影响14 机组改造需求14 燃氢燃气轮机的技术进展 欧美日等国燃氢燃气轮机发展战略 4 通往零碳道路的燃气轮机 第一章：燃氢燃气轮机的优点 燃氢燃气轮机的优点 根据国际能源署(IEA)对2度情景的预测1，在美国，可以通过增加风能和太阳能等可再生能源(RES)的市场份额来实现发电部门的全球去碳化。然而，这些可再生能源提供的电力供应具有波动性，需要具有可靠 性、经济性和可持续性的其他形式的发电电源来进行平衡。在“氢气的未来”中4，国际能源署描述了氢气 对清洁能源转型能够做出重大贡献的潜力，包括在电力领域能够做出的重大贡献。燃氢燃气轮机的发展可以成为未来的碳中和技术，以支持国际社会实现雄心勃勃的能源和气候目标。事实上，燃氢燃气轮机将实现能源行业长期的深度减碳，同时整合更多的可再生能源。 2019年1月，燃气轮机行业郑重承诺到2030年开发出燃烧100%氢气的燃气轮机，通过克服技术挑战，确保这一转变迅速发生，全面支持全球天然气电网向可再生能源系统的转型。 燃气轮机已经在能源系统中发挥了关键的平衡作用。通过将燃气轮机的燃料能力扩展到氢气，它们的作用不仅在能源转型时期，而且在长期能源战略中也将占据主导地位： ■基于燃气轮机的燃气蒸汽联合循环是目前最清洁的燃用化石燃料的热力循环发电形式，事实上，在相同的发电量下，与燃煤电厂相比，使用天然气为燃料发电的燃气轮机的二氧化碳排放量减少了50%； ■可再生气体(如绿氢、沼气、合成气)与天然气混合可以进一步减少二氧化碳的排放，这可以通过直接注入天然气管网或在电厂内部来实现； ■工业界致力于到2030年使燃气轮机完全使用可再生气体燃料，从而具备100%碳中和的燃气发电的能力。随后的目标是在联合循环配置中实现电厂的热效率达到65%以上； ■燃气轮机具有灵活性，非常适合频繁起停，能够快速响应电网需求，使其与波动的RES互补。 2018年，超过五分之一的欧洲电力来自燃煤发电2，与此同时，全球现有大量相对新型、高效且非常灵活的燃气轮机，无论是开式循环还是联合循环，均以其总容量的有限百分比运行。 通过加快从燃煤发电向燃气发电的转变，全球可以在未来十年内，通过相对有限的努力和投资，以及适用未来发展的技术，在该行业脱碳方面迈出巨大的一步。 本质上，燃氢燃气轮机将补充风能和太阳能的间歇性，因为它们可以用作伴生电源。在风力和日光充足的情况下，可以通过利用多余的可再生能源电解水制氢，或者通过天然气重整制氢，结合采用碳捕集技术，天然气重整也是一种碳中和技术。在这种情况下，氢重整将被视为一个生产装置，可以在短时间内供应足够的氢气，并能够构建一个包括储存在内的氢能基础设施。燃气轮机具有从小型分散系统到大型集中系统的可扩展性，能够适应生产能力和本地存储。总而言之，通过电解水制氢以及燃氢燃气轮机发电，可以实现新能源电力的长周期储能与调节。 图1：燃气轮机在全球能源转型中的作用 5 通往零碳道路的燃气轮机 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。最初可以通过对现有燃烧室进行相对较小的改造来实现第一步，从而允许将氢气混合燃烧到最大含量（>30%，碳减少量为11%）。通过增加现场应用经验，将有助于进一步开发新型燃烧室，使氢气含量达到100%，且无需稀释剂进行排放控制。由于燃料中碳含量与体积氢含量之间存在非线性关系（如图2所示），因此必须尽快使用更高的氢含量，以最大限度地提高对碳排放量的影响程度。 甲烷/氢气混合物的碳强度 氢气[体积百分比] 图2：甲烷/氢气混合物中的碳含量 现有天然气基础设施的利用 燃气轮机使用基础设施完善的天然气作为燃料来源。在现有的基础设施内，氢气和天然气的混合物可以通过少量或无需任何改造进行输送，这使得整个系统可以重复使用，而无需大量费用。例如，荷兰2008年在Ameland岛 3的一个试点项目中，已经向其天然气管网注入了高达 20%的氢气。2019年，国家电投建设了国内首个“绿氢”掺入天然气输送应用示范项目，按10%的掺氢比例，将可再生能源电解水制取的“绿氢”注入管线与天然气掺混。这一概念可以复制到其他地区，开始在燃气轮机中燃烧天然气和氢气的混合物，以减少碳排放。然而，新的或改装的管道基础设施对于100%的氢气输送来说是必要的，但在制氢点燃烧氢气将是初始阶段解决该问题的一种方法。 现有燃气轮机的改造 燃氢燃气轮机的设计在一定程度上依赖于现有的燃气轮机技术。没有必要设计和制造用于氢气燃烧的全新燃气轮机。需要特别注意修改燃烧室和一些辅助部件，但大多数现有燃气轮机可以改造为部分或完全燃烧氢气。这种转换不仅可以避免巨额的资本支出，还可以节省将现有大型燃气轮机转换为燃氢工况的时间。开发和部署燃氢燃气轮机技术的另一个主要好处在于赋予现有设备新的经济增长点。事实上，全球许多国家都存在最先进的燃气轮机闲置或运行时数不足的问题，中国也存在大量的调峰机组，保持这些发电厂的利用率也将对社会和工业做出重