科学研究 - 全球首次干式低排放氢燃气轮机实证试验在日本取得成功

2020年5月，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）与川崎重工业和大林组在“氢社会构筑技术开发事业”下，就采用川崎重工开发的“微混合燃烧”技术的干式低NOx氢专烧燃气轮机启动了技术实证试验，并全球首次取得了成功。干式燃烧方式与以往的方式相比发电效率更高，而且可以降低NOx排放量。

向附近设施供应该氢燃气轮机产生的热量和电力的系统也计划从2020年秋季开始，在神户市Port Island实施技术验证，将验证采用干式燃烧方式的氢发电的稳定运行情况，以及发电效率和环境负荷降低效果等性能。

图1：干式低NOx氢专烧燃气轮机的实证试验工厂

氢气可用于燃气轮机发电及燃料电池汽车等多种用途，具有作为能源利用时不排放二氧化碳的特性，因此有望作为“终极”清洁能源。

作为实现氢社会的举措之一，NEDO推进了“氢社会构筑技术开发事业”，2017～2018年度，川崎重工和大林组认为联用氢和天然气的发电方式在氢发电导入期存在需求，因此针对为抑制局部高温燃烧产生NOx而采用“水喷射方式”、从天然气和氢的混合燃烧到氢专烧均可应对的氢燃气轮机实施了实证试验。

通过此次实证试验，还全球首次在神户市Port Island实现了通过氢专烧为市区同时供应热能和电力的热电联产。

双方从2019年度开始开发干式低NOx氢专烧燃气轮机技术，此次针对川崎重工开发的干式低NOx氢专烧燃气轮机实施的技术实证试验全球首次取得了成功。

此次新实施的实证试验以进一步提高氢发电的发电效率、降低环境负荷（削减氮氧化物（NOx）的排放量）为目的，对采用干式燃烧方式的氢专烧发电技术进行了验证。以往的水喷射方式为了削减NOx排放量，会向火焰的高温部喷射水喷雾，但水蒸气会造成发电效率下降。与水喷射方式相比，干式燃烧方式的发电效率更高，还能削减NOx排放量，但存在课题，即在燃烧速度比较快的氢燃烧中，如何才能在抑制火焰回流的同时使燃烧稳定。

因此，双方利用川崎重工开发的微小氢火焰燃烧技术“微混合燃烧”，开发了全球首个干式低NOx氢专烧燃气轮机，并从2020年5月开始在神户市Port Island进行技术实证试验。组合使用该氢燃气轮机和废热回收锅炉的热电联产系统能以蒸汽或热水的方式向周边的公共设施供应约1,100kW的电力和约2,800kW的热能。

图2：干式低NOx氢专烧燃气轮机与“微混合燃烧”的示意图

实证运行将在2020年5月至2020年底间歇进行，以验证采用干式燃烧方式的氢发电的温度运行情况、发电效率和环境负荷降低效果等性能。另外，还将从2020年秋季开始，与燃气轮机的技术实证试验同步推进综合型能源管理系统的实证，评估未来的业务可行性。该系统用来综合管理“氢”燃料及当地社区的周边设施利用的“热能”和“电力”，并从经济效益和环保的角度出发进行优化控制。

另外，大林组还将研究有效利用-253℃（1气压）的液化氢的冷热能的系统。运行燃气轮机所需的氢是用蒸发器气化液化氢提取出来的，但目前从蒸发器释放出来的冷热能尚未得到有效利用。此外，燃气轮机在夏季等外部气温较高时，进气温度也会升高，因此发电输出功率会降低。除此之外还存在其他课题，比如液化氢的蒸发器会因为与外部空气存在温差而结霜，需要停止运行来除霜等。

此次研究的系统通过用气化液化氢时产生的冷热能来冷却燃气轮机的进气，可以在电力需求较高的夏季提高发电输出功率和发电效率。另外，通过用中间热介质（丙烷气等）从液化氢中提取冷热能，还可以避免蒸发器结霜，能实现连续运行。该系统将来如果能投入实用，则可以充分利用液化氢的冷热能，有助于提高能源管理系统整体的效率。