燃氢燃气轮机的过去和未来

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导读：氢气与氧气反应，是一种非常有活力、无污染的燃料，那么它可以用作燃气轮机的燃料吗？本文回顾了其使用的两个成功且重要的例子。来自太阳能和风能的“弃电”可用于电解水以生产氢气，为燃气轮机发电厂提供动力。作为一种能量储存手段，氢可以保存在洞穴中。它还可以直接添加到为燃气轮机发电厂服务的天然气管道系统中，从而减少温室气体的产生。

在“燃气轮机在全球能源转型中的作用”的讨论中，经常有人会问，未来燃气轮机会使用氢气作为主要燃料吗？而不是通常的航空煤油、燃油或天然气。

为什么是氢气？正如作者 Peter Hoffman 在《The Forever Fuel: The Story of Hydrogen》中指出的那样，氢是一种通常不可见、无味的无色气体，是宇宙中最丰富的元素。作为燃料，它非常有活力且无污染，可与氧气反应生成水H2O。

对于燃气轮机来说，氢气是最好的燃料。它重量轻，比热值最高，是所有燃料中最高的——大约是航空煤油的三倍。然而，它是一种必须消耗能源来制造的载体，例如通过水的电解或天然气的蒸汽重整。最近，这些特性被认为将氢用于储能是一个非常好的手段。

燃气轮机燃氢的一些历史

氢气可以用来为燃气轮机提供动力吗？回答这个问题的一个直接方法是重述燃气轮机作为飞机喷气发动机的一些早期历史。

世界上首台喷气发动机动力飞行于 1939 年 8 月 27 日星期日在德国罗斯托克附近波罗的海沿岸的 Heinkel 飞机制造厂机场进行。它是在 Heinkel He 178 单发飞机上实现的，该飞机由发明家 Hans von Ohain 博士的 He S 3B 喷气发动机提供动力，以汽油为燃料。

然而，这台推力为989 磅 (lbt)的He S 3B 喷气发动机实际上却是基于一个氢燃料喷气发动机项目发展而来的。这台燃氢的喷气发动机命名为 He S1，He S 在德语里表示Heinkel Strahltriebwerk（Heinkel 喷气发动机），这台推力250 磅、10,000 转/分钟的喷气发动机于 1937 年 3 月首次在地面测试中运行。

图 1. 1936/1937 年的 He S1 发动机示意图，推力为 250 磅，转速为 10,000 rpm，直径为 30 cm。离心转子。(A) 进气口，(B) 轴向压气机叶片，(C) 离心式压气机，(D) 氢气入口，(E) 氢气喷射器，(F) 燃烧器，(G) 径向涡轮机，(H) 排气喷嘴。

当时28 岁的 von Ohain将其描述如下： “我打开点火开关，小心地打开氢气阀。点火开始是可听见的。听起来像是燃气热水器的点火。发动机靠自己的动力运转，很容易加速。在更高的转速下，它开始产生所有后来喷气发动机的典型声音。”

在这台 1937 年的第一台德国喷气发动机中，von Ohain 博士使用了氢气，因为它具有高火焰传播速度、宽燃烧极限和气态（液态汽油带来的液滴燃烧挑战后来在HS 3B 中得到解决）。

Von Ohain 进一步解释说：“我们在瓶子里使用了一整组氢气，我们让涡轮喷气发动机运行了 2 到 5 分钟，直到氢气耗尽。这是一个几分钟的数量级，我没有氢气燃烧方面的问题，但金属烧坏是一个相当大的问题。”

von Ohain 早期运行的第一台喷气发动机表明，发动机可以很容易地使用纯氢气运行。大约 20 年后，普惠公司工程师开发了一种带有加力燃烧室的喷气发动机，该发动机依靠液氢运行，在大气压力和约 – 420°F 下低温储存。这项工作始于 1956 年，称为“304 Suntan 项目”，该发动机产生了 4,700 lbf，该发动机将为凯利·约翰逊、洛克希德臭鼬工厂、马赫数为 2.5 的 CL-400 侦察机提供动力。

图 2.带加力燃烧室的液态氢燃料普惠飞机 304 涡喷发动机，准备在 1950 年代后期在佛罗里达州进行测试。

Dick Mulready对氢燃料 304 发动机的描述是一个引人入胜的故事。5 台 304 涡喷发动机的早期测试和后续生产于 1956 年至 1959 年在康涅狄格州东哈特福德工厂进行。 随后在该公司位于西棕榈滩内陆西部 7000 英亩的新佛罗里达研发中心进行了广泛的测试沼泽地。304 试验台的区域有 Loxahatchee slough 的彩色名称。304 发动机试运行被称为“沼泽怪物”，其特点是低频啸叫会随着油门推进而增加，直到在全推力时变得听不见。测试结果表明涡轮入口温度曲线是平坦的，其曲线优于现有的航空煤油发动机。

Suntan 304 发动机取得了成功，但装机的 CL-400 飞机却失败了。正如杰克康纳斯所说，这架飞机将是一个飞行的保温瓶，用于低温容纳液氢燃料，使其飞行范围很小。取而代之的是，洛克希德和普惠公司走上了一条不同的道路来开发黑鸟 SR-71飞机，其装配的 JP-7 喷气燃料 J58 涡轮喷气/冲压发动机。可以通过在机翼和机身的每个可用体积中填充碳氢燃料来实现飞机的航程——这是液氢无法实现的。

氢的储能作用

那么，为什么目前人们对燃氢燃气轮机感兴趣？它与可再生能源的使用增加有关，即风力涡轮机和太阳能设备产生的电力。当风吹日晒时，电力就产生了，但是当客户需求不足时会发生什么？多余的发电可以储存起来以备将来使用，但如何储存？

特纳等人主张，太阳能和风能产生的电力可用于电解水以生产氢气（当然还有氧气）。只是为了估计有多少水，他指出，如果全部配备燃料电池，每年 1000 亿加仑的水可以为大约 2.5 亿辆汽车的美国轻型车队提供氢气。相比之下，美国每年仅用于汽油生产就使用大约 3000 亿加仑的水，是预计用于产生氢气的水的三倍。

如此产生的氢气可以储存在地下洞穴（天然或人造盐洞）中，用作许多现有燃气轮机发电厂（或直接用于稀有燃料电池发电厂）的燃料。

目前，正在全球各国在开展大量研究（特别是在欧洲和日本），将电解产生的氢气直接注入现有的天然气网络（管道、储罐等），这些网络已经为燃气轮机发电厂提供燃料。这将利用剩余的可再生能源直接减少二氧化碳发电厂的产量。

需要解决有关向天然气中添加氢气可能会增加氮氧化物产生的燃烧问题。目前的结果表明，燃气轮机天然气燃料中添加高达 5-8% 的氢不会成为 NOx 生产的问题。在日本，三菱公司已经成功地在燃气轮机中燃烧了 30% 的氢和天然气燃料混合物。

储能的理想经济模式是“低买高卖”，用于燃气轮机发电厂的廉价储存氢燃料应该符合这种经济模型！