中国氢能产业深度研究--氢内燃机专题研究 | 云点道林
中国氢能产业深度研究--氢内燃机专题研究 | 云点道林
gh_d21885a3f461
传播国家2030年碳达峰/2060年碳中和的政策、知识、技术与优良做法
以下文章来源于云道资本 ，作者为顶尖创业者而生
为顶尖创业者而生！
“ 3060 ”欢迎 广告 合作
*以下为报告要点摘选，完整报告请持续关注「云道资本」公众号
一、 “工业皇冠上的明珠”-燃气轮机
燃气轮机技术门槛、产品附加值极高，其作为动力心脏，和芯片并称我国面临的两个“心（芯）脏病”问题，核心技术遭到禁运、国内市场被少数发达国家全面碾压；为此， 2014年航空发动机和燃气轮机被正式列为第20个国家科技重大专项（简称为“两机专项”）， 我国在《能源技术革命创新行动计划（2016-2030）年》明确高效燃气轮机技术创新路线图及战略方向。
燃气轮机通过燃料（主要为天然气）与空气燃烧产生气体推动叶片做功，以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料能量转换为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。主要分为压气机、燃烧室、透平三个部分，压气机将空气吸入内部并压缩。之后压缩过的空气会和天然气在燃烧室进行混合并燃烧，产生出高温高压气体会推动透平叶片转动，一部分动力会用于带动发电机发电，另一部分动力负责带动压气机转动。其余还包括进气过滤系统、控制调节系统、启动系统、润滑油系统、燃料系统。
燃气轮机按结构分重型、轻型两种，重型燃机又分为E、F、H级，对应燃烧室温度1200、1400、1600度。按功率分为大、中、小、微型，按用途分为电力燃气轮机、机械驱动（船舶）燃气轮机和航空燃气轮机。应用场景包括发电、分布式能源、电网调峰、机动电源、舰船驱动、长距离管输增压等。航空发动机和燃气轮机工作原理基本相同，燃气轮机可由“航空发动机+自由涡轮”改造出来。
燃气轮机目前仍被GE、西门子、美国索拉、日本三菱日立等少数几家巨头垄断，国产燃机的代表工作主要包括联合重燃和三大电气开发重型燃机（发电），中船引进乌克兰UGT25000并发展国产GT25000，主要用来驱动军舰、管输增压等。国内民企的开发型号多为10MW级以下机型。
二、 “氢能发电应用中的核心环节”-燃气轮机
实现碳中和以及能源清洁转型是绿氢产业发展的远景，绿氢作为链接清洁能源和部分终端用能领域的纽带，通过零碳排放帮助化工、冶金、航空等难以直接用电的终端用能领域进行全面脱碳。
绿氢的生产来自于绿电，二者的本质都是可再生能源，并且通过相互转化建立多能源品种的零碳能源供应体系，也可基于燃料电池或燃氢燃机进行发电。燃氢燃机对于构建新型电力系统发挥了重要作用，氢及其衍生的合成燃料富余部分允许长期存储，电力供应紧张时在供应侧利用燃气轮机输出电能、负荷侧调节电制氢负荷。燃氢燃机属于同步发电机，具有高爬坡率、电压支撑能力强等特性，可作为煤电机组退出后的支撑性电源。
在2019年，燃气轮机行业承诺到2030年开发出燃烧出100%氢气的燃气轮机，通过完全使用可再生气体燃料，达到100%碳中和的燃气发电能力，从而推动全球天然气电网向可再生能源系统的转型。
目前燃氢燃机主要针对燃烧室和辅助部件的改造，氢气混合燃烧比例可超30%，减少11%的碳排放，未来的目标则为实现纯氢燃烧。以下几项纯氢和天然气/氢混合物燃烧的技术值得我们重点关注：
-
燃气轮机通过扩散燃烧方式燃烧纯氢，过程中仍会产生NOx排放。业内重点研发的干式低NOx燃烧技术，可大幅减少或消除NOx排放
-
用氮气、水或蒸汽稀释扩散火焰：带有扩散火焰或蒸汽稀释的燃烧系统可燃烧纯氢，在联合循环或CHP配置中运行的大型燃气轮机，蒸汽稀释在减排和电厂效率方面优于氮气稀释
-
贫油预混系统：原始燃气轮机发电机组中，贫油预混燃烧室最大允许氢气浓度也存在差异，包括支持氢含量30- 50%的重型燃机、50-70%的小型燃机、20%的微型燃机，目前还没出现燃烧纯氢的商业化燃气轮机
掺氢（纯氢）燃机发电的最终目标为低NOx排放 (<25ppm)，研究主要集中在川崎重工、西门子、GE等国际大厂中展开。在我国，华天航空、慕帆动力、国电投等各类型企业也相继开展研究：
-
川崎重工：掺氢燃机燃烧器的特点是在燃烧器后半段增加二次燃烧喷嘴，氢气只在二次燃料中掺混，主燃料仍然是天然气，通过使用天然气进行点火/启动和低负荷运行，当负荷达到DLN运行范围时，向二次燃烧喷嘴供应氢气进行氢燃烧发电，NOx排放量为25ppm；2020年5月，进行纯氢燃机干式低氮排放燃烧的演示;
-
GE：拥有70多套燃气轮机使用含氢燃料运行，氢含量从5%到100%，燃烧系统“DLN 2.6e”已在7HA和9HA燃机上完成了100%天然气的全速全负荷运行，并且支持超50%氢气含量的预混合燃烧;
-
华天航空：正在开展预混燃烧方式的富氢燃料干式低排放燃烧和燃气轮机氢能发电技术研究，其核心技术包括防回火、热声震荡抑制、防氢脆材料、环境热障涂层、火焰筒壁温控制等，模拟排放数值低于25ppm;
-
国电投：21年12月，在运燃机成功实现15%掺氢燃烧改造运行，为我国首次在重型燃机商业机组上实施掺氢燃烧改造试验和科研攻关，2022年底完成二期30%掺氢燃烧.
三、 相比于发电，氢燃料内燃机在动力场景的发展应用值得期待
依托过去20年燃料电池以及混合动力总成的技术进步，使得氢燃料内燃机可以充分利用现有产业基础，同时具备的成本优势将有助于提高氢气的使用需求，从而推动氢基础设施的建设，成为实现汽车低碳化发展的重要技术路径之一。
氢内燃机将传统汽油、柴油、天然气、甲醇等燃料更换成为氢气，氢气在气缸内燃烧推动活塞做功从而产生动能，原理与普通天然气发动机类似，增加了氢气喷射系统，按照吸气—压缩—做功—排气4个冲程来完成化学能向机械能的转化。对比燃料电池，氢内燃机对氢纯度要求较低，具备点火能量低、火焰传播速度快、单位热值高、燃烧不含碳合物等特性，天使适合高负荷运行工况，普遍应用在卡、客车等领域。
国外针对氢内燃机的研发始于上世纪70年代，氢内燃机功率已达MW级：
-
宝马从1978年开始研发以氢内燃机，通过对柴油机/汽油机的改造研发了6代氢燃料内燃机驱动的轿车。配备以氢气为燃料的3.5L六缸火花点火式发动机，采用液态储氢方式，并保留原来的汽油喷射系统，氢气采用多点喷射方式以防止回火；2004年9月，“H2R”氢内燃机驱动的汽车创造9项速度纪录；
-
近年，曼恩第一台氢气内燃机原型机已进入试验室测试阶段，斯堪尼亚正在开展HPDI（缸内高压氢气直喷）氢内燃机研究，沃尔沃在研发船用和卡车用氢内燃机，道依茨2024年将量产氢内燃机产品。
我国氢发动机的研究始于20世纪80年代初，近两年研发落地提速：
2006年由清华大学和奇瑞汽车联合研发的国内首台纯氢气内燃机运行成功；
-
2018年北京理工大学在国家军民融合公共服务平台上发布了目前国内唯一的可进行氢燃料内燃机系统开发的专用试验台架；
-
22年起，国内企业争推重型商用车领域的氢内燃机，玉柴排量最大，潍柴氢内燃机配套中国重汽黄河X7重卡率先实现商业化应用，解放13升氢内燃机实现了同级排量动力最强，指示热效率突破55%；在被誉为“全球第一商用车展”的汉诺威车展上，潍柴作为中国动力企业的代表展出15升氢内燃机，与51.09%热效率的商用车动力总成同时亮相国际舞台。
氢内燃机有望在重卡、船舶等领域相继迎来突破，在风电光伏制氢储能调峰电站等领域有较大的潜力：
-
重卡领域：长途牵引运输场景未来技术路线在2030年以前是以柴油和天然气为主，氢内燃机技术为辅，2030-2040年是多技术路线并存发展的阶段，2040年后将以燃料电池及氢内燃机为主、天然气及柴油少量并存；针对长途牵引运输场景，客户预期回本的理想周期是1.5年左右，纯氢内燃机和燃料电池均具备竞争力，纯氢内燃机2025年左右和柴油车“打平”。
-
船舶领域：内燃机是船舶应用氢能的重要途径，现有氢内燃机功率可以达到兆瓦级，已用于拖船和渡船。湖泊区域游船渡船、内河干线小型船舶（8000 t以下）等可采用氢燃料电池动力系统内河干线大型船舶（8000 t以上）可采用基于氢、氨、甲醇等燃料的内燃机系统。
关于氢内燃机的燃料选择，我们认为甲醇及液氨具有含氢量高、能耗低等多种优势，是氢的理想载体。并且围绕我国成熟的甲醇工业基础，甲醇重整制氢路线可直接嫁接至甲醇工业体系。
国外甲醇重整制氢、用氢发电路线已用于船舶产业化，逐步进入量产阶段，美国能源技术领先开发商RIX Industries于21年下半年推出全球首个移动式甲醇制氢动力系统--M2H2系列，为船舶与海洋环境提供动力，目已经正式推向船舶市场。
我国极为丰富的内河水系为适用于内河航运的动力系统提供了巨大的市场空间，涵盖制氢、燃氢、动力总成全环节的高效率、低碳排动力产品方案值得重点关注。
-
发电：全国每年兰炭气500亿标方（其低热值相当于100亿标方天然气），每年焦炉气2000亿标方（其低热值相当于800亿标方天然气），兰炭气、焦炉气可以用作富氢内燃机发电机组燃料。
在动力场景中，综合成本、性能、可靠性等因素，我们认为中长期氢内燃机相较燃料电池更具优势。首先可沿用现有内燃机工业体系进行开发，大部分零部件与现有内燃机成熟产品通用；其次具备无后处理器的情况下满足严苛排放法规的潜力，后处理等系统可取消或简化，产品成本优势显著；最后通过采用传统燃烧做功模式，对氢气燃料纯度要求较低，同时具有多种燃料适应性，既可使用纯氢为燃料，也可和甲醇掺烧，有效降低对石油依赖。
目前燃气分布式能源领域多选用燃气内燃机和燃气轮机作为发电设备，余热利用设备主要包括余热锅炉、余热溴化锂机组等，其他辅助设备包括气体处理设备、燃气增压设备、隔声降噪设备、脱硝设备、热泵等。
燃气轮机组因具有结构紧凑、操作简便、稳定性好等优点，在分布系统中应用的主要是发电功率范围为25～20000kW的微型、小型燃气轮机组。
燃气内燃机主要结构与液体燃料内燃机（柴油机、汽油机等）基本相同，是以燃气为燃料的四冲程内燃机，燃气与空气在气缸内混合压缩后点火发生爆燃，推动活塞带动连杆和曲轴驱动发电机发电，内燃机具有发电效率高（30-40%）、余热利用形式多样化、燃料适应性强、运行灵活性强等特点。
小型燃气轮机组适用于较大规模的分布系统，内燃机组适用于较小规模的分布系统。相近发电功率下内燃机组发电效率比小型燃气轮机组高，与内燃机组相比，燃气轮机组性能受海拔和环境温度影响较大。
重型燃气轮机是一个技术精深、新手难以进入的领域，需要长期的数据和经验积累以及国家的大量投入。增量以及存量市场的开发，将为国内新兴的燃气轮机主机厂商带来巨大的商机。我们认为基于燃机的产品属性和市场特点，掌握核心机技术的厂商就等同于握住了产业生态入口，也是燃机全产业链业务发展的根基和保证。
将燃料能力扩展到氢气的燃气轮机在能源系统中发挥关键平衡作用，有望主导长期能源战略。对于初创型企业，研发从百千瓦级别到兆瓦级别的小微型燃机切入较为友好，凭借快速启停用来调峰发电、热点综合利用效率高、尾气可用来制备工业蒸汽等特点，有望在分布式发电、工业、可移动交通等场景中打开市场。我们也欣喜的看到，由相关科研院所孵化支持的企业，目前推出的30MW级已能做到整机零件全部国产化、维修保养和备件全国产，同时也在研发氢/氨等零碳燃料型号的研发，有望在民用（氢）发电领域率先应用验证。
双碳目标的指引下，氢气发电将兼具生态友好性与经济竞争性，基于“可再生能源就地制氢-绿氢燃机零碳发电-储能”，氢发电将成为未来各国能源结构中储能调峰的中流砥柱。
*本文为报告要点摘选，完整版报告请持续关注「云道资本」公众号 ，后续发布完整版PDF格式研究报告
CCTC®
想深入了解 碳排放 （ 碳达峰碳中和 ）
关注更多 碳 （ CO 2 ）资讯
请长按 识别下方二维码
关注 3060
广告 / 投稿 etc 请 联系电话：0755-21002565 邮箱：
请长按 识别下方二维码
关注 华夏气候