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以德國因戈?duì)柺┧氐臑鯛柪锵！す芈?lián)合循環(huán)發(fā)電廠為例。該電廠于2013年由歐能（E.ON）所擁有，并自2011年開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)。該電廠采用西門子能源的SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)，是世界上第一個(gè)突破60%聯(lián)合效率壁壘的電廠。根據(jù)當(dāng)時(shí)的測(cè)試，當(dāng)環(huán)境溫度為10攝氏度時(shí)，監(jiān)視器顯示該電廠的凈輸出功率為540兆瓦，效率為60.3%。

然而到了2019年，該電廠已被Uniper收購并更名為Irsching 4號(hào)機(jī)組，當(dāng)時(shí)處于“冷備用”狀態(tài)，即距離完全“停擺”只有一步之遙。這是因?yàn)槿济汉涂稍偕茉矗ㄖ饕秋L(fēng)能）的發(fā)電量如此之大，以至于不需要從一座燃燒昂貴俄羅斯天然氣的電廠（即使它創(chuàng)下了世界紀(jì)錄?。┲蝎@取電力。

然而，目前Irsching 4號(hào)機(jī)組已全面投入滿負(fù)荷使用，并可在需要時(shí)支持風(fēng)電發(fā)電和基本負(fù)載。盡管俄烏沖突仍在持續(xù)，但該電廠有足夠的天然氣供應(yīng)，至少能夠運(yùn)行到年底。

同時(shí)，如果您駕車從阿琴到法蘭克福，您會(huì)發(fā)現(xiàn)沿途還有不少燃煤電站，從自然冷卻塔上升騰的煙霧籠罩天空，表明它們正在全功率運(yùn)轉(zhuǎn)。另一側(cè)高速公路上，幾臺(tái)孤獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)緩慢旋轉(zhuǎn)的葉片凸顯了德國能源組合的反差。目前，德國每千瓦時(shí)的總碳排放量超過800克二氧化碳當(dāng)量，是歐洲最嚴(yán)重的污染國家之一。這就是歐洲著名的能源轉(zhuǎn)型的結(jié)果。

燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的進(jìn)展

關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的進(jìn)展，目前期望出現(xiàn)“令人瞠目”的進(jìn)展是不現(xiàn)實(shí)的。自1930年代起，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)（GTCC）的效率在過去的三十年中從50%左右提高到了超過60％。這主要是由于渦輪進(jìn)氣溫度（TITs）從1300℃提高到1700℃，并得益于冶金學(xué)、制造工藝（如單晶高溫部件，包括定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片）和冷卻技術(shù)的進(jìn)步所推動(dòng)的。

預(yù)計(jì)到2023年初，GTCC的凈效率目標(biāo)將達(dá)到65%，但要達(dá)到下一個(gè)目標(biāo)，即70%的凈效率，需要采用新的技術(shù)方法，包括改變基礎(chǔ)的布雷頓循環(huán)，但根據(jù)主要原始設(shè)備制造商（OEM）公布的ISO基本負(fù)荷等級(jí)聲明來看，這并不太遙遠(yuǎn)。過去，燃?xì)廨啓C(jī)制造商試圖通過熱氣道外部（蒸汽）冷卻和再燃燒等方法來做到這一點(diǎn)，但并未對(duì)性能產(chǎn)生顯著影響。雖然這兩種技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中得到證明，但由于復(fù)雜的設(shè)計(jì)、不利的可操作性以及安裝（和維護(hù)）成本等問題，商業(yè)化前景并不樂觀。從理論上講，這兩種技術(shù)都可以為從65%到70%的五個(gè)百分點(diǎn)做出重要貢獻(xiàn)。然而，OEMs幾乎不可能重新使用這兩種技術(shù)。（但請(qǐng)注意，“順序燃燒”燃?xì)廨啓C(jī)仍有OEM廠商如安薩爾多提供，而固定部件的蒸汽冷卻也仍是日本三菱公司一個(gè)產(chǎn)品線的特色。）

目前唯一能真正提高效率的循環(huán)改進(jìn)是“定容燃燒”（constant volume combustion）。，傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)布雷頓循環(huán)是“定壓燃燒”的理想代理。迄今為止，最好的定容燃燒近似方案是爆轟燃燒（而不是現(xiàn)代干式貧預(yù)混DLN燃燒器中的傳火燃燒）。脈沖爆轟燃燒自20世紀(jì)50年代以來一直用于飛機(jī)推進(jìn)應(yīng)用。

目前，研究和開發(fā)的重點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒（RDC）。簡(jiǎn)而言之，爆轟燃燒導(dǎo)致循環(huán)溫度和壓力增加，這降低了壓氣機(jī)的功率消耗，并提高了燃料燃燒的凈輸出。雖然在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中非常難以安裝，但RDC可以很容易地在地面燃?xì)廨啓C(jī)中實(shí)現(xiàn)，其效率影響可能相當(dāng)顯著，約為GTCC中的1-2個(gè)百分點(diǎn)。

燃?xì)廨啓C(jī)在能源轉(zhuǎn)型中扮演著十分重要的角色。盡管該技術(shù)已有數(shù)十年的歷史，但其近年來的性能和效率不斷提高，成為電力發(fā)電的主導(dǎo)熱能技術(shù)之一。其中，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)（GTCC）的效率在過去三十年中從約50%提高至超過60%，這主要?dú)w功于渦輪進(jìn)氣溫度（TITs）從1300℃提高到1700℃，這一進(jìn)展得益于冶金學(xué)、制造工藝（如單晶高溫部件，包括定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片）和冷卻技術(shù)的進(jìn)步。據(jù)預(yù)測(cè)，到2023年初，GTCC的凈效率目標(biāo)將達(dá)到65%，而下一個(gè)目標(biāo)則是70%。然而，實(shí)現(xiàn)從65%到70%的提高需要新的技術(shù)，如改變基礎(chǔ)的布雷頓循環(huán)和應(yīng)用定容燃燒等技術(shù)。目前，研究和開發(fā)的重點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒（RDC），該技術(shù)可在靜態(tài)機(jī)器中實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)可提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率約為GTCC中的1-2個(gè)百分點(diǎn)。此外，增材制造等技術(shù)也有望提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能。未來，GTCC將成為電力發(fā)電的主導(dǎo)熱能技術(shù)，有望協(xié)助實(shí)現(xiàn)減少二氧化碳排放的目標(biāo)。

燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)

用簡(jiǎn)單或聯(lián)合循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)替代燃煤發(fā)電是個(gè)明智之舉，這在美國在過去的十年中從燃煤向天然氣的轉(zhuǎn)型中不言而喻。然而，就完全依賴氫氣燃料運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)而言，氫經(jīng)濟(jì)則是一個(gè)幻想。問題不在于燃?xì)廨啓C(jī)是否能夠燃燒氫氣燃料，而是要生產(chǎn)足夠的“綠色”氫氣以對(duì)CO2排放產(chǎn)生有意義的影響。

據(jù)2020年美國能源信息管理局（EIA）數(shù)據(jù)顯示，該國最高效的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠（Okeechobee Clean Energy Center）通過燃燒大約6,000萬MMBtu的天然氣燃料產(chǎn)生了約9,500千瓦時(shí)的電力，效率高達(dá)59.4%（低熱值），相當(dāng)于約3.2百萬公噸CO2的排放。假設(shè)在2020年能夠利用全部的美國風(fēng)電棄電量，即13,000千瓦時(shí)，在聚合物電解質(zhì)膜（PEM）電解器中制造氫氣并在Okeechobee發(fā)電廠燃燒，將只能滿足其燃料需求的50%，且僅能減少50%的CO2排放。而采用化學(xué)吸收技術(shù)和通用的胺基溶劑對(duì)同一發(fā)電廠進(jìn)行90%后處理捕捉技術(shù)，不僅比上述方案更具成本效益，而且復(fù)雜度更低。

只有在氫氣生產(chǎn)的可再生能源是剩余的（即棄風(fēng)或棄光）時(shí)，綠色氫氣才是真正的綠色。將主要能源資源，包括核能，完全用于氫氣生產(chǎn)，并從直接電力發(fā)電中轉(zhuǎn)移，只有當(dāng)所涉及的電網(wǎng)一開始就是完全綠色的時(shí)候，才能夠做到真正的綠色。否則，每個(gè)用于氫氣生產(chǎn)的兆瓦電力都將由現(xiàn)有電網(wǎng)補(bǔ)足，具有特定的CO2排放足跡。

另一項(xiàng)有趣的利用天然氣發(fā)電的技術(shù)是半封閉氧燃?xì)廨啓C(jī)，采用超臨界二氧化碳作為工質(zhì)。該技術(shù)采用由NET Power開發(fā)的Allam-Fetvedt循環(huán)，其熱力學(xué)循環(huán)由氧氣與天然氣的燃燒生成主要含水和二氧化碳的氣體組成，通過一個(gè)熱交換器將渦輪機(jī)下游的廢氣冷卻并凝結(jié)其中的水分離出混合物中的二氧化碳即可捕集二氧化碳。

該燃燒過程已經(jīng)在得克薩斯州拉波特的一座50兆瓦（熱）燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)設(shè)施中得到驗(yàn)證。NET Power及其技術(shù)合作伙伴已經(jīng)宣布推出一項(xiàng)300兆瓦燃?xì)廨啓C(jī)的商業(yè)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)于2026年開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)。在短短幾年內(nèi)從試驗(yàn)設(shè)施規(guī)模到商業(yè)規(guī)模（約10至15倍）的過渡顯然是一項(xiàng)大膽的步驟。從效率角度來看（包括低溫氧氣工廠），預(yù)計(jì)其性能至少與先進(jìn)級(jí)別的PCC GTCC相當(dāng)，而其資本支出可能更少。

考慮到氫氣的可用性，它可以與天然氣混合后通過管道長(zhǎng)距離運(yùn)輸或在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行逐案處理。需要注意的是，為了實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放量（按質(zhì)量計(jì)算）的50%減少，燃料氣中的氫氣含量應(yīng)超過75%（按體積計(jì)算）。雖然現(xiàn)代DLN燃燒器尚未達(dá)到該要求，但預(yù)計(jì)最終將完全具備氫氣功能，可能在2030年前實(shí)現(xiàn)。

將能夠燃燒100%氫氣的小型機(jī)組與綠色氫氣生產(chǎn)和儲(chǔ)存設(shè)施進(jìn)行智能化結(jié)合，以支持大型風(fēng)電或太陽能發(fā)電場(chǎng)，似乎是利用氫氣的最佳選擇。在這種情況下，可以輕松地使用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)取代小型工業(yè)和航改燃?xì)廨啓C(jī)?；旧?，內(nèi)燃機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高效（如凈低位熱值高40多個(gè)百分點(diǎn)，這是由于缸內(nèi)恒壓爆炸燃燒的直接結(jié)果），非常適合于穩(wěn)定間歇性可再生資源的發(fā)電。雖然目前還沒有相關(guān)產(chǎn)品，但內(nèi)燃機(jī)制造商也正在廣泛研發(fā)，以在不久的將來使它們的機(jī)器完全能夠燃燒氫氣。

其它創(chuàng)新技術(shù)

能源存儲(chǔ)是燃?xì)廨啓C(jī)可以為電力行業(yè)脫碳做出強(qiáng)大貢獻(xiàn)的領(lǐng)域之一，無論有沒有綠色氫氣。明顯的候選者是壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES），這是一種經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，非常適合長(zhǎng)時(shí)間能源存儲(chǔ)（LDES）。然而，需要注意的是，全球只有兩個(gè)CAES電站，最后一個(gè)于上世紀(jì)90年代初開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)，因此第三個(gè)CAES電站何時(shí)何地建成仍不確定。技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)提出了CAES的絕熱變種，包括低溫或液空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，這些方案不使用天然氣或其他燃料。人們還可以將熱泵儲(chǔ)能技術(shù)（如Malta公司的熱電儲(chǔ)能系統(tǒng)）加入到這個(gè)列表中，這種技術(shù)利用閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。

不可否認(rèn)，天然氣在全球溫室氣體減排方面受到了一定的負(fù)面評(píng)價(jià)，但它仍然是一種相對(duì)較為清潔的燃料。與煤相比，在標(biāo)準(zhǔn)污染物和二氧化碳排放方面表現(xiàn)更好。盡管如此，人們必須考慮到天然氣泄漏（如北溪管道爆炸）的因素，這在如今重視氣候變化的社會(huì)中引起了關(guān)注。此外，除了美國的頁巖氣革命外，世界上很多地方的天然氣的價(jià)格相對(duì)較高，這在過去十年里抑制了歐洲和美國新建天然氣發(fā)電廠的建設(shè)。然而，IIR和Forecast International（FI）等行業(yè)預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，在未來十年內(nèi)，天然氣在能源轉(zhuǎn)型中的地位可能會(huì)發(fā)生變化。

根據(jù)行業(yè)預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，2021年至2033年間，天然氣發(fā)電廠的新增容量預(yù)計(jì)將達(dá)到25 GW。雖然這一數(shù)字遠(yuǎn)低于同期計(jì)劃退役的75 GW煤電廠的容量，但也顯示出天然氣發(fā)電市場(chǎng)在未來仍有一定的增長(zhǎng)潛力。而FI則認(rèn)為，超過250 MW的機(jī)器銷售是推動(dòng)天然氣燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要因素，尤其是在歐洲，盡管來自俄羅斯的天然氣依賴程度較高的國家存在一定的不確定性。目前，液化天然氣（LNG）出口從美國到歐洲的是否會(huì)再次促進(jìn)天然氣發(fā)電市場(chǎng)的增長(zhǎng)還不得而知。

據(jù)IIR確認(rèn)，歐洲目前有156個(gè)天然氣項(xiàng)目處于不同的開發(fā)階段，并計(jì)劃在本十年內(nèi)啟動(dòng)。如果這些項(xiàng)目全部建成，將代表超過155 GW的天然氣發(fā)電能力。但并非所有這些項(xiàng)目都有望順利推進(jìn)。在美國以外，IIR預(yù)計(jì)歐洲大多數(shù)項(xiàng)目的開發(fā)活動(dòng)將集中在英國、意大利、波蘭、希臘、德國和比利時(shí)。此外，預(yù)計(jì)東南亞、中東和北非（MENA）以及拉丁美洲的一些地區(qū)，如巴西和墨西哥，也將有重要的天然氣發(fā)電開發(fā)。

回顧過去的兩個(gè)十年，我們不難發(fā)現(xiàn)，任何預(yù)測(cè)都應(yīng)該持謹(jǐn)慎態(tài)度。在過去，天然氣曾經(jīng)非常昂貴，因此GTCC電廠的容量很低。但突然之間，頁巖氣繁榮發(fā)生了，天然氣變得幾乎比煤還要便宜。此后，燃?xì)廨啓C(jī)制造商開始推出效率不斷提高的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)，天然氣以相當(dāng)驚人的速度在美國的發(fā)電組合中取代了煤。

美國政府曾試圖挽救煤炭產(chǎn)業(yè)，但基本的經(jīng)濟(jì)原理和環(huán)保意識(shí)太過顯而易見，以至于無法扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)。新冠肺炎疫情的來襲，全球經(jīng)濟(jì)急劇放緩。在逐漸恢復(fù)之時(shí)，烏克蘭的沖突又讓人們意識(shí)到獲得可靠的能源對(duì)現(xiàn)代生活來說是不可或缺的一部分。

政治家受到公眾看法的驅(qū)動(dòng)不能決定能源轉(zhuǎn)型。德國過早關(guān)閉核電站和高效GTCC（如Irsching）已迫使其燃燒煤炭以保持民眾溫暖，如果采用燃?xì)廨啓C(jī)，顯然它將輸出更高的效率和更少的CO2排放。

改編一下流傳廣泛的馬克·吐溫（Mark Twain）的名言，“燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的黃昏”被大大夸大了。正如FI的帕爾默指出的那樣，疫情對(duì)所有行業(yè)都有一定程度的影響，燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)也受到了影響，然而，這只是一個(gè)異常而不是大多數(shù)行業(yè)普遍存在的周期性生產(chǎn)下降。隨著從疫情中復(fù)蘇，現(xiàn)代世界對(duì)更多電力的渴求不會(huì)消失，燃?xì)廨啓C(jī)將重新投入使用，而煤炭發(fā)電廠將繼續(xù)轉(zhuǎn)換為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組。

毫無疑問，全球風(fēng)能和太陽能設(shè)施的部署將以越來越快的速度繼續(xù)，核能也很可能最終會(huì)強(qiáng)勢(shì)回歸。即使上述對(duì)基本技術(shù)的改進(jìn)沒有實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)仍將通過取代燃煤發(fā)電廠，以及與長(zhǎng)時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)搭配用于容量固定和/或應(yīng)急備用，在電力部門脫碳中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。只要世界人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)仍然存在，就沒有其他方式。

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