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摘 要：日本产官学各界正联手构建氢能供应链，开发氢能利用技术。本文介绍了液化氢供应链的构建、氢燃料燃气轮机和氢燃料往复式发动机的开发和示范等相关内容。
关键字：国际氢能供应链、氢气燃烧技术、氢燃料燃气轮机、氢燃料往复式发动机、氢气利用技术
2005年，《京都议定书》生效，确立了实现“低碳社会”的目标；此后，《巴黎协定》于2015年通过，全世界187个国家和地区提出了实现“脱碳社会”的目标。然而全球环境的变化实际上却比上述社会环境的变革来得更快，降低二氧化碳排放已经从环境问题演变成刻不容缓的社会问题。
在实现本世纪中叶二氧化碳净零排放目标的过程中，对可再生能源的关注持续升温。而实践表明，随着可再生能源引入的增加，保障电力的稳定供应变得越发困难。氢能可以弥补可再生能源的不足，为能源安全和环境问题做出贡献，而且它几乎和化石燃料同样方便。因此，氢能作为一种清洁能源备受关注。
在这一背景下，日本产官学各界正联手构建氢能供应链，开发氢能利用技术。本文介绍了液化氢供应链的构建、氢燃料燃气轮机和氢燃料往复式发动机的开发和示范等相关内容。
正如今天的液化天然气（LNG）技术一样，要实现氢能的社会化应用，必须确立从氢能供应商到氢能需求国之间的整条供应链上的所有核心技术。通过“日本-澳大利亚试点示范”项目，日本实现了世界上首个在海外生产氢气并进行大规模海洋运输的案例。
如图1所示，该试点示范是一条完整的氢气供应链，起于澳大利亚Loy Yang的褐煤气化制氢设施，止于日本神户机场岛的液化氢装卸码头，示范过程中指出了技术、安全、运营，以及社会接受度等各方面的问题。
该示范的NEDO部分由新能源产业技术综合开发机构（NEDO）资助，而澳大利亚部分则由澳大利亚政府补贴。
示范的NEDO部分由“技术研究协会脱碳氢能供应链推进机构”（HySTRA）为主体推进，该协会于2016年由川崎重工牵头成立。协会成员包括川崎重工、岩谷产业、电源开发、日本壳牌、丸红、JXTG能源、以及川崎汽船。
项目的澳大利亚部分由川崎重工的澳大利亚当地法人Hydrogen Engineering Australia (HEA)负责对接澳大利亚政府补贴。同时，川崎重工、岩谷产业、电源开发及其当地法人J-Power Latrobe Valley (JPLV)、丸红、Australian Gas and Light Loy Yang Pty Ltd、以及住友商事均参与了该项目。
图2展示了停泊在神户装卸码头“Hy touch 神户”的液化氢运输船“Suiso Frontier”。该船在2021年9月至10月通过国内航行获取数据，随后，为完成日本船舶注册，于11月接受了日本海事协会的审查。（该船后于2021年12月完成了注册，并于2022年2月成功完成了日本和澳大利亚间的往返航行，同月28日，从澳大利亚运回的液氢卸货至陆地，完成了世界上首次大规模海洋运氢的示范。）
图1 日本-澳大利亚试点示范示意图
图2 神户装卸码头的液化氢运输船“Suiso Frontier”
项目组在神户港口岛进行了新的能源管理系统的技术开发和示范，旨在于区域范围内有效利用电力、热能和氢能。该系统采用热电联供设备（氢能源热电联供系统），配备1MW级的燃气轮机，以氢气和天然气为燃料。作为NEDO资助的“运用氢能源热电联供系统的智能社区技术开发项目”（2015-2018年度）的一部分，项目由大林组主导，负责安装和运营综合型能源管理系统和供热系统，由川崎重工提供氢能源热电联供系统。该项目由神户市、关西电力、岩谷产业、关电能源解决方案、以及大阪大学支持。
图3展示了该技术的示范设施。该示范设施位于城区内，为附近的公共设施供能，包括国际展览馆、体育中心、中央市民医院和污水处理厂。这是世界首次在城区采用燃气轮机100%使用氢燃料进行热电联供，2018年4月，项目组成功完成了示范运行。本次示范采用了湿式法（从燃料喷嘴喷水的方法）来抑制氮氧化物的产生，并且可以在不间断运行的前提下自由切换氢气和天然气的混合比例。
由于采用湿式法需要喷水来减少氮氧化物，因此会损失部分燃烧产生的热能，导致发电效率下降约1个百分点。为改善此问题，项目组结合氢气的燃烧特性，研发了新的燃烧技术，以实现无需喷水的干式低氮氧化物法。
对于燃烧天然气的燃气轮机，以往实现干式低氮氧化物燃烧所采用的方法是预混合和稀释燃烧，即将空气和天然气进行预混合然后再进行燃烧。但氢具有高度反应性，易导致回火等燃烧不稳定的问题，因此干式低氮氧化物燃烧非常难以实现。对此，项目组开发了一种利用微型氢气火焰的新型微混合燃烧技术（图4）。在这项技术中，氢气通过微小的喷射孔喷射出来，与直流的空气射流快速混合，形成能够稳定燃烧的微型氢气火焰，通过缩短反应时间，抑制了氮氧化物的生成。
图5展示了用于1MW级燃气轮机的干式低氮氧化物氢专烧燃烧器。氢气燃烧器的部分是环形的，使用的环数可根据氢气燃烧量（即工作负荷）变化。
在NEDO资助的“干式低氮氧化物氢专烧燃气轮机技术开发和示范项目”（2019-2020年度）当中，上述开发的燃烧器被安装于神户港岛的示范设施，并进行了现场示范，2020年5月，该燃烧器成功实现了世界首例干式氢专烧运行。随后，通过持续进行各种示范试验，项目组对该燃烧器的发电效率、降低环境负荷等方面的性能进行了验证。实验证实，该燃烧器的发电效率相较湿式法提升了约1%，氮氧化物生成量与湿式法相当。
除上述开发外，项目组还在推进NEDO的“氢能利用等先行研发项目”，进行半封闭式燃气轮机循环的研究。该燃气轮机循环利用液化氢的冷能，分离空气中的氧气并使之与氢气一同燃烧，显示出超过70%的热效率。这项未来技术展示出了内燃机的潜力。
图3 灵活的氢气·天然气燃料燃气轮机热电联供系统
图4 微混合氢气燃烧技术
图5 干式低氮氧化物氢气燃烧器
用于发电的燃气发动机、船用发动机及其他大型往复式发动机的净效率超过50%，因此，如能将其燃料从化石燃料转化为生物质、合成燃料和氢气，将有助于实现碳中和，还能使其在安装、维护和运营成本方面相较燃料电池更具竞争力。
从2021年赛季开始，超级耐力赛将有配备氢气往复式发动机的车辆参赛，小型发动机采用氢燃料的可能性正受到热切关注。
对氢气往复式发动机的研究是SIP（战略创新创造计划）的一部分。研究结果表明，通过应用缸内直喷燃烧技术，既可达到50%以上的效率，又可解决抑制氢气燃烧中的氮氧化物产生的问题（图6）。
从2021年10月起，日本国内外的大型发动机制造商纷纷宣布将致力于氢气发动机的开发，今后的成果值得关注。
图6 高效率、低氮氧化物、高功率的直喷往复式发动机
在日本、美国和欧洲，各国已宣布了万亿日元规模的氢气利用和示范相关国家投资计划，技术开发的竞争正在加剧。如本文所述，日本在氢供应链和氢气利用技术的示范方面处于世界领先地位。要想通过大规模使用氢气促进二氧化碳减排，实现大型动力发动机的氢气燃烧技术是重中之重，必须通过产官学多方联手，尽快推动技术示范和社会化应用。
翻译：王京徽
审校：李 涵
统稿：李淑珊
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