导读：近几十年来，天然气发电行业经历了起伏。一些高效的燃气轮机联合循环机组因为不再必要而被停用，但是未来的前景看起来仍十分光明。因为随着燃煤电厂的逐渐淘汰，燃气轮机电站需要承担更多的发电任务。
以德国因戈尔施塔特的乌尔里希·哈特曼联合循环发电厂为例。该电厂于2013年由欧能（E.ON）所拥有，并自2011年开始商业运营。该电厂采用西门子能源的SGT5-8000H燃气轮机，是世界上第一个突破60%联合效率壁垒的电厂。根据当时的测试，当环境温度为10摄氏度时，监视器显示该电厂的净输出功率为540兆瓦，效率为60.3%。
然而到了2019年，该电厂已被Uniper收购并更名为Irsching 4号机组，当时处于“冷备用”状态，即距离完全“停摆”只有一步之遥。这是因为燃煤和可再生能源（主要是风能）的发电量如此之大，以至于不需要从一座燃烧昂贵俄罗斯天然气的电厂（即使它创下了世界纪录！）中获取电力。
然而，目前Irsching 4号机组已全面投入满负荷使用，并可在需要时支持风电发电和基本负载。尽管俄乌冲突仍在持续，但该电厂有足够的天然气供应，至少能够运行到年底。
同时，如果您驾车从阿琴到法兰克福，您会发现沿途还有不少燃煤电站，从自然冷却塔上升腾的烟雾笼罩天空，表明它们正在全功率运转。另一侧高速公路上，几台孤独的风力发电机缓慢旋转的叶片凸显了德国能源组合的反差。目前，德国每千瓦时的总碳排放量超过800克二氧化碳当量，是欧洲最严重的污染国家之一。这就是欧洲著名的能源转型的结果。
燃气轮机技术的进展
关于燃气轮机技术的进展，目前期望出现“令人瞠目”的进展是不现实的。自1930年代起，燃气轮机联合循环（GTCC）的效率在过去的三十年中从50%左右提高到了超过60％。这主要是由于涡轮进气温度（TITs）从1300℃提高到1700℃，并得益于冶金学、制造工艺（如单晶高温部件，包括定子叶片和转子叶片）和冷却技术的进步所推动的。
预计到2023年初，GTCC的净效率目标将达到65%，但要达到下一个目标，即70%的净效率，需要采用新的技术方法，包括改变基础的布雷顿循环，但根据主要原始设备制造商（OEM）公布的ISO基本负荷等级声明来看，这并不太遥远。过去，燃气轮机制造商试图通过热气道外部（蒸汽）冷却和再燃烧等方法来做到这一点，但并未对性能产生显著影响。虽然这两种技术已经在实际应用中得到证明，但由于复杂的设计、不利的可操作性以及安装（和维护）成本等问题，商业化前景并不乐观。从理论上讲，这两种技术都可以为从65%到70%的五个百分点做出重要贡献。然而，OEMs几乎不可能重新使用这两种技术。（但请注意，“顺序燃烧”燃气轮机仍有OEM厂商如安萨尔多提供，而固定部件的蒸汽冷却也仍是日本三菱公司一个产品线的特色。）
目前唯一能真正提高效率的循环改进是“定容燃烧”（constant volume combustion）。，传统的燃气轮机布雷顿循环是“定压燃烧”的理想代理。迄今为止，最好的定容燃烧近似方案是爆轰燃烧（而不是现代干式贫预混DLN燃烧器中的传火燃烧）。脉冲爆轰燃烧自20世纪50年代以来一直用于飞机推进应用。
目前，研究和开发的重点是旋转爆轰燃烧（RDC）。简而言之，爆轰燃烧导致循环温度和压力增加，这降低了压气机的功率消耗，并提高了燃料燃烧的净输出。虽然在航空发动机中非常难以安装，但RDC可以很容易地在地面燃气轮机中实现，其效率影响可能相当显著，约为GTCC中的1-2个百分点。
燃气轮机在能源转型中扮演着十分重要的角色。尽管该技术已有数十年的历史，但其近年来的性能和效率不断提高，成为电力发电的主导热能技术之一。其中，燃气轮机联合循环（GTCC）的效率在过去三十年中从约50%提高至超过60%，这主要归功于涡轮进气温度（TITs）从1300℃提高到1700℃，这一进展得益于冶金学、制造工艺（如单晶高温部件，包括定子叶片和转子叶片）和冷却技术的进步。据预测，到2023年初，GTCC的净效率目标将达到65%，而下一个目标则是70%。然而，实现从65%到70%的提高需要新的技术，如改变基础的布雷顿循环和应用定容燃烧等技术。目前，研究和开发的重点是旋转爆轰燃烧（RDC），该技术可在静态机器中实现，预计可提高燃气轮机的效率约为GTCC中的1-2个百分点。此外，增材制造等技术也有望提高燃气轮机的性能。未来，GTCC将成为电力发电的主导热能技术，有望协助实现减少二氧化碳排放的目标。
燃氢燃气轮机
用简单或联合循环的燃气轮机替代燃煤发电是个明智之举，这在美国在过去的十年中从燃煤向天然气的转型中不言而喻。然而，就完全依赖氢气燃料运行的燃气轮机而言，氢经济则是一个幻想。问题不在于燃气轮机是否能够燃烧氢气燃料，而是要生产足够的“绿色”氢气以对CO2排放产生有意义的影响。
据2020年美国能源信息管理局（EIA）数据显示，该国最高效的燃气轮机联合循环发电厂（Okeechobee Clean Energy Center）通过燃烧大约6,000万MMBtu的天然气燃料产生了约9,500千瓦时的电力，效率高达59.4%（低热值），相当于约3.2百万公吨CO2的排放。假设在2020年能够利用全部的美国风电弃电量，即13,000千瓦时，在聚合物电解质膜（PEM）电解器中制造氢气并在Okeechobee发电厂燃烧，将只能满足其燃料需求的50%，且仅能减少50%的CO2排放。而采用化学吸收技术和通用的胺基溶剂对同一发电厂进行90%后处理捕捉技术，不仅比上述方案更具成本效益，而且复杂度更低。
只有在氢气生产的可再生能源是剩余的（即弃风或弃光）时，绿色氢气才是真正的绿色。将主要能源资源，包括核能，完全用于氢气生产，并从直接电力发电中转移，只有当所涉及的电网一开始就是完全绿色的时候，才能够做到真正的绿色。否则，每个用于氢气生产的兆瓦电力都将由现有电网补足，具有特定的CO2排放足迹。
另一项有趣的利用天然气发电的技术是半封闭氧燃气轮机，采用超临界二氧化碳作为工质。该技术采用由NET Power开发的Allam-Fetvedt循环，其热力学循环由氧气与天然气的燃烧生成主要含水和二氧化碳的气体组成，通过一个热交换器将涡轮机下游的废气冷却并凝结其中的水分离出混合物中的二氧化碳即可捕集二氧化碳。
该燃烧过程已经在得克萨斯州拉波特的一座50兆瓦（热）燃气轮机试验设施中得到验证。NET Power及其技术合作伙伴已经宣布推出一项300兆瓦燃气轮机的商业项目，预计于2026年开始商业运营。在短短几年内从试验设施规模到商业规模（约10至15倍）的过渡显然是一项大胆的步骤。从效率角度来看（包括低温氧气工厂），预计其性能至少与先进级别的PCC GTCC相当，而其资本支出可能更少。
考虑到氢气的可用性，它可以与天然气混合后通过管道长距离运输或在现场进行逐案处理。需要注意的是，为了实现二氧化碳排放量（按质量计算）的50%减少，燃料气中的氢气含量应超过75%（按体积计算）。虽然现代DLN燃烧器尚未达到该要求，但预计最终将完全具备氢气功能，可能在2030年前实现。
将能够燃烧100%氢气的小型机组与绿色氢气生产和储存设施进行智能化结合，以支持大型风电或太阳能发电场，似乎是利用氢气的最佳选择。在这种情况下，可以轻松地使用燃气内燃机取代小型工业和航改燃气轮机。基本上，内燃机可以实现高效（如净低位热值高40多个百分点，这是由于缸内恒压爆炸燃烧的直接结果），非常适合于稳定间歇性可再生资源的发电。虽然目前还没有相关产品，但内燃机制造商也正在广泛研发，以在不久的将来使它们的机器完全能够燃烧氢气。
其它创新技术
能源存储是燃气轮机可以为电力行业脱碳做出强大贡献的领域之一，无论有没有绿色氢气。明显的候选者是压缩空气储能（CAES），这是一种经过验证的技术，非常适合长时间能源存储（LDES）。然而，需要注意的是，全球只有两个CAES电站，最后一个于上世纪90年代初开始商业运营，因此第三个CAES电站何时何地建成仍不确定。技术初创企业提出了CAES的绝热变种，包括低温或液空气储能系统，这些方案不使用天然气或其他燃料。人们还可以将热泵储能技术（如Malta公司的热电储能系统）加入到这个列表中，这种技术利用闭式循环燃气轮机。
不可否认，天然气在全球温室气体减排方面受到了一定的负面评价，但它仍然是一种相对较为清洁的燃料。与煤相比，在标准污染物和二氧化碳排放方面表现更好。尽管如此，人们必须考虑到天然气泄漏（如北溪管道爆炸）的因素，这在如今重视气候变化的社会中引起了关注。此外，除了美国的页岩气革命外，世界上很多地方的天然气的价格相对较高，这在过去十年里抑制了欧洲和美国新建天然气发电厂的建设。然而，IIR和Forecast International（FI）等行业预测机构预计，在未来十年内，天然气在能源转型中的地位可能会发生变化。
根据行业预测机构的数据，2021年至2033年间，天然气发电厂的新增容量预计将达到25 GW。虽然这一数字远低于同期计划退役的75 GW煤电厂的容量，但也显示出天然气发电市场在未来仍有一定的增长潜力。而FI则认为，超过250 MW的机器销售是推动天然气燃气轮机市场增长的主要因素，尤其是在欧洲，尽管来自俄罗斯的天然气依赖程度较高的国家存在一定的不确定性。目前，液化天然气（LNG）出口从美国到欧洲的是否会再次促进天然气发电市场的增长还不得而知。
据IIR确认，欧洲目前有156个天然气项目处于不同的开发阶段，并计划在本十年内启动。如果这些项目全部建成，将代表超过155 GW的天然气发电能力。但并非所有这些项目都有望顺利推进。在美国以外，IIR预计欧洲大多数项目的开发活动将集中在英国、意大利、波兰、希腊、德国和比利时。此外，预计东南亚、中东和北非（MENA）以及拉丁美洲的一些地区，如巴西和墨西哥，也将有重要的天然气发电开发。
回顾过去的两个十年，我们不难发现，任何预测都应该持谨慎态度。在过去，天然气曾经非常昂贵，因此GTCC电厂的容量很低。但突然之间，页岩气繁荣发生了，天然气变得几乎比煤还要便宜。此后，燃气轮机制造商开始推出效率不断提高的先进燃气轮机，天然气以相当惊人的速度在美国的发电组合中取代了煤。
美国政府曾试图挽救煤炭产业，但基本的经济原理和环保意识太过显而易见，以至于无法扭转趋势。新冠肺炎疫情的来袭，全球经济急剧放缓。在逐渐恢复之时，乌克兰的冲突又让人们意识到获得可靠的能源对现代生活来说是不可或缺的一部分。
政治家受到公众看法的驱动不能决定能源转型。德国过早关闭核电站和高效GTCC（如Irsching）已迫使其燃烧煤炭以保持民众温暖，如果采用燃气轮机，显然它将输出更高的效率和更少的CO2排放。
改编一下流传广泛的马克·吐温（Mark Twain）的名言，“燃气轮机技术的黄昏”被大大夸大了。正如FI的帕尔默指出的那样，疫情对所有行业都有一定程度的影响，燃气轮机生产也受到了影响，然而，这只是一个异常而不是大多数行业普遍存在的周期性生产下降。随着从疫情中复苏，现代世界对更多电力的渴求不会消失，燃气轮机将重新投入使用，而煤炭发电厂将继续转换为燃气轮机机组。
毫无疑问，全球风能和太阳能设施的部署将以越来越快的速度继续，核能也很可能最终会强势回归。即使上述对基本技术的改进没有实现，简单循环和联合循环燃气轮机仍将通过取代燃煤发电厂，以及与长时段储能系统搭配用于容量固定和/或应急备用，在电力部门脱碳中发挥至关重要的作用。只要世界人口和经济增长仍然存在，就没有其他方式。
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