支持高效氢能发电的基础技术——开发发电效率高达68%的1400℃级发电系统

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摘   要：NEDO将着手开发高效率且零排放的氢能发电技术，以期在2040年后实现社会普及。此次，由产业技术综合研究所等8家机构共同选择一个研发主题，开发发电率高达68%的1400℃级氢能发电系统以及封闭热力循环的共通基础技术，同时为实现社会普及进行规划。通过该项目，将与产生CO₂和NO_X的传统发电系统区分开来，建立大规模氢利用技术的基础，并为实现氢能社会做出贡献。

关键字：高效氢能发电技术、氢氧燃气轮机、1400℃级氢能发电系统、封闭热力循环、大规模氢利用技术、氢能社会

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 概要

氢在用作燃料时不仅不排放二氧化碳，而且还可作为能源载体，用于可再生能源等的存储、运输和利用。利用这一特性，长久以来海外丰富的可再生能源和未使用能源难以利用的难题有望得以解决。由此，能源稀缺的日本将氢能视为能源安全保障和应对全球变暖对策的王牌。

在此背景下，日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）自2014年起实施“氢利用等尖端技术研发项目”，致力于利用可再生能源的高效率低成本的制氢技术、长距离运氢技术、便于可再生能源长期存储的能源载体技术以及大规模氢利用技术等。上述技术的开发均以2040年后实现社会普及为长期目标，旨在确立氢作为“无碳能源的新选择”的地位。

氢氧燃气轮机及发电效率示意图

本次选取的“氢利用等尖端技术研发项目（超越传统技术的超高效发电共通基础开发）”中，将着手开发氢氧燃气轮机发电的基础技术。氢氧燃气轮机发电使用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂，燃烧产物只有水蒸气，理论上不会产生CO₂、NO_x和SO_x。此外，通过结合布雷顿循环^*1和兰金循环^*2，构建出全新的封闭热力循环^*3，从而充分有效地利用作为工作流体^*4的水蒸汽的能量，与传统的燃气轮机联合循环发电（GTCC）相比，其发电效率有望提高约10％。

根据此前的研发结果以及与专家的讨论，该项目将以1400℃级发电系统为对象，确保高发电效率（约68％）和经济效益，此外还将开发有望实现稳定的氢氧燃烧的高温高压燃烧设备，同时找出所用材料的高温高压耐性等封闭热力循环的共通课题，并开发相关的基础技术。通过这种方式，该项目旨在与产生CO₂和NO_x的传统发电系统区分开来，建立大规模氢利用技术的基础，从而实现氢能社会。

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项目概要

项目名称：氢利用等尖端技术研发项目

研发项目[3]：超越传统技术的超高效发电共通基础开发（委托）

实施时间：2020-2022年度（预定）

预算：约2亿日元（约合人民币1300万元）（研发项目[3]）（2020年度）

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研发项目概要

以开发出超越传统技术的超高效率发电为目标，进行以下研发。

（1）提出封闭热力循环的共通基础技术课题并提出解决方案

提出包括氢氧燃烧在内的封闭循环系统中潜在的共通课题，并确立应对热电联产时发电波动的模拟及耐高温高压密封技术、耐高温高压水蒸气材料以及冷却技术等封闭循环的共同技术。

（2）开发能够稳定进行氢氧燃烧的高温高压燃烧设备

通过控制燃烧器的形状、结构、材料和燃烧稳定性，完成测试仪制造的基本设计，以用于氧氢高温高压燃烧设备的实机测试。

（3）进行社会普及的规划

本项目通过基础技术开发，为实现2040年以该技术为基础的超高效率发电的社会普及，将对社会需求和产品规格进行最优化，并提出实现的规划。

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选定的主题及计划实施单位

选定的主题名：

氧氢燃气轮机发电的共通基础技术的研发

计划实施单位：

• 国立研究开发法人产业技术综合研究所

• 国立研究开发法人航空航天研发机构

• 国立大学法人东京工业大学

• 国立大学法人大阪大学

• 一般财团法人电力中央研究所

• 一般财团法人煤炭能源中心

• 川崎重工株式会社

• 东芝能源系统有限公司

注释：

* 1. 布雷顿循环

燃气轮机的理论循环，包括：（1）用压缩机将气体绝热压缩至高压；（2）通过燃烧将气体等压加热到高温；（3）用涡轮机使高温高压的气体绝热膨胀做功；（4）对涡轮机出口处的气体等压冷却。通常，在燃气轮机的等压冷却过程中排出燃烧气体并供给空气。

* 2. 兰金循环

主要由锅炉和涡轮机组成的热轮机，即所谓的蒸汽轮机的理论循环，包括：（1）用泵将液体绝热压缩并供应给锅炉；（2）在锅炉中等温加热液体以产生蒸汽；（3）用涡轮机使蒸汽绝热膨胀做功；（4）对涡轮出口的蒸汽冷却液化。

* 3. 封闭热力循环

使闭合循环工作流体在热轮机中循环做功，理论上不进行供气或排气。本项目将开发如下循环：将布雷顿循环（燃气轮机）和兰金循环（蒸汽轮机）的工作流体统一为水蒸气，通过氢氧燃烧获得高温水蒸气，并排放相同量的水。

* 4. 工作流体

热轮机中将热能转化为动能的过程中起作用的流体。通常，燃气轮机使用燃烧气体，而蒸汽轮机使用水蒸气作为工作流体。

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翻译：李   庄

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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