科學研究 - 全球首次乾式低排放氫氣渦輪發動機實證試驗在日本取得成功

2020年5月，日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）與川崎重工業和大林組在「氫社會構築技術開發事業」下，就採用川崎重工開發的「微混合燃燒」技術的乾式低NOx氫專燒氣渦輪發動機起動了技術實證試驗，並全球首次取得了成功。乾式燃燒方式與以往的方式相比發電效率更高，而且可以降低NOx排放量。

向附近設施供應該氫氣渦輪發動機產生的熱量和電力的系統也計劃從2020年秋季開始，在神戶市Port Island實施技術驗證，將驗證採用乾式燃燒方式的氫發電的穩定運行情況，以及發電效率和環境負荷降低效果等性能。

圖1：乾式低NOx氫專燒氣渦輪發動機的實證試驗工廠

氫氣可用於氣渦輪發動機發電及燃料電池汽車等多種用途，具有作爲能源利用時不排放二氧化碳的特性，因此有望作爲「終極」清潔能源。

作爲實施氫社會的舉措之一，NEDO推進了「氫社會構築技術開發事業」，2017～2018年度，川崎重工和大林組認爲聯用氫和天然氣的發電方式在氫發電導入期存在需求，因此針對爲抑制局部高溫燃燒產生NOx而採用「水噴射方式」、從天然氣和氫的混合燃燒到氫專燒均可因應的氫氣渦輪發動機實施了實證試驗。

透過此次實證試驗，還全球首次在神戶市Port Island實施了透過氫專燒爲市區同時供應熱能和電力的焦熱電聯產。

雙方從2019年度開始開發乾式低NOx氫專燒氣渦輪發動機技術，此次針對川崎重工開發的乾式低NOx氫專燒氣渦輪發動機實施的技術實證試驗全球首次取得了成功。

此次新實施的實證試驗以進一步提高氫發電的發電效率、降低環境負荷（削減氮氧化物（NOx）的排放量）爲目的，對採用乾式燃燒方式的氫專燒發電技術進行了驗證。以往的水噴射方式爲了削減NOx排放量，會向火焰的高溫部噴射水噴霧，但水氣會造成發電效率下降。與水噴射方式相比，乾式燃燒方式的發電效率更高，還能削減NOx排放量，但存在課題，即在燃燒速度比較快的氫燃燒中，如何才能在抑制火焰回流的同時使燃燒穩定。

因此，雙方利用川崎重工開發的微小氫火焰燃燒技術「微混合燃燒」，開發了全球首個乾式低NOx氫專燒氣渦輪發動機，並從2020年5月開始在神戶市Port Island進行技術實證試驗。組合使用該氫氣渦輪發動機和廢熱回收鍋爐的焦熱電聯產系統能以蒸汽或熱水的方式向周邊的公共設施供應約1,100kW的電力和約2,800kW的熱能。

圖2：乾式低NOx氫專燒氣渦輪發動機與「微混合燃燒」的示意圖

實證運行將在2020年5月至2020年底間歇進行，以驗證採用乾式燃燒方式的氫發電的溫度運行情況、發電效率和環境負荷降低效果等性能。另外，還將從2020年秋季開始，與氣渦輪發動機的技術實證試驗起伏同步推進綜模具組裝能源管理系統的實證，評估未來的業務可行性。該系統用來綜合管理「氫」燃料及當地社區的周邊設施利用的「熱能」和「電力」，並從經濟效益和環保的角度出發進行最適化控制。

另外，大林組還將研究有效利用-253℃（1氣壓）的液化氫的冷熱能的系統。運行氣渦輪發動機所需的氫是用蒸發器汽化液化氫提取出來的，但目前從蒸發器釋放出來的冷熱能尚未得到有效利用。此外，氣渦輪發動機在夏季等外部大氣溫度較高時，進氣溫度也會升高，因此發電輸出功率會降低。除此之外還存在其他課題，比如液化氫的蒸發器會因爲與外部空氣存在溫差而結霜，需要停止運行來除霜等。

此次研究的系統透過用汽化液化氫時產生的冷熱能來冷卻氣渦輪發動機的進氣，可以在電力需求較高的夏季提高發電輸出功率和發電效率。另外，透過用中間熱介質（丙烷氣等）從液化氫中提取冷熱能，還可以避免蒸發器結霜，能實施連續運行。該系統將來如果能投入實用，則可以充分利用液化氫的冷熱能，有助於提高能源管理系統整體的效率。