燃气轮机在实现能源转型和未来能源系统净零排放方面发挥着重要作用。当使用氢燃料运行时，燃气轮机的二氧化碳排放量为零，同时还为风能和太阳能等间歇性可再生能源提供电网稳定性和需求支持。燃气轮机制造商致力于2030年前研发出能够100%氢气运行的最先进技术。然而，目前对该技术可以推向市场的经济和政治条件的理解还存在差距。

华天航空动力瞄准全球氢能产业发展方向，对燃氢燃气轮机的技术发展与实践应用进行了深入研究，并编译了本文，以期为燃气轮机集中发电中的氢能部署提供可靠的技术支持与实践经验。

一、氢能是实现能源向碳中和过渡的关键支柱

2020年7月，欧盟委员会发布了“欧洲气候中性的氢能战略”，强调了氢在支持欧盟2050年净零碳排放目标方面将发挥的具体和重要作用。通过这一战略，氢能已经成为支持欧洲绿色协议和逐步实现能源向碳中和过渡这一理想的关键支柱，氢可以助力工业、交通、热力和发电等领域实现深度脱碳。

通过燃气轮机和燃料电池进行安全、稳定、脱碳的发电也将在氢能终端应用中发挥作用。国际能源署的2050年净零排放报告中预测，到2050年，全球17%的氢气最终将用于电力领域。2050年氢气年产量约为8.8×10⁷吨，相当于当今全球每年的氢气总产量。事实上，在欧盟制定的2050年净零排放情景中，氢在电力领域的使用与交通、工业和住宅应用一样得到认可。此外，在由十家欧洲领先的天然气运输公司和两个可再生天然气行业协会编制的《欧洲氢能主干管网》项目的最新报告中，概述了氢在整个欧洲发电中的未来作用。预计到2050年，欧洲使用氢气发电将需要626TWh的氢气，远远高于2030年的12TWh，因此，在建立氢经济方面，催生出巨大的氢需求。到2050年，这相当于欧洲发电量的7%，氢发电量将占波兰总发电量的17%，爱尔兰和意大利的15%，德国的14%。

燃气轮机，包括联合循环（CCGT）和开式循环（OCGT），通过实现煤改气，已经在欧洲能源转型的脱碳方面发挥了关键作用，燃气发电取代了2019年燃煤发电量下降的近50%，这带来了CO2的显著减少，同时随着可再生能源（风能/太阳能/水电）装机容量的进一步提高，燃气发电可确保电力供应安全。除发电外，脱碳燃气轮机还可以在热电联产（CHP）或废热发电应用中产生有用的热量，增强工业与区域供热的耦合，同时提高整体能源效率。随着可再生能源装机容量的增加，燃气轮机被用来在可再生能源可用性低的时候满足峰值电力需求。因此，绿氢可作为可再生能源的长期储存的手段，燃氢燃气轮机与其他可再生能源一起运行，以填补电力需求缺口。如果使用沼气重整和CCS制取氢气，则确实有机会以净负碳排放运行燃氢燃气轮机。因此，若欧盟要在2050年前实现净零碳排放，就必须分析通过使用氢对燃气轮机进行脱碳的潜在成本和可行性。

天然气掺氢燃气轮机联合循环的碳强度和年度节省碳税值

（假设碳价为50欧元/吨和年运行6000小时）

二、研究场景和目的

鉴于燃气轮机功率等级（从kWe到MWe）、配置（OCGT、CCGT和CHP）和应用（基本负载、峰值、机械驱动）范围广泛，有必要将分析重点放在将影响当前、近期和未来燃氢燃气轮机运行的选定场景上。表1给出了本研究的选定场景，每个场景还将考虑100%天然气基线条件。

表1 本研究中考虑的燃氢燃气轮机配置

本技术经济研究的目的是提供一种衡量当前和未来燃气轮机掺氢或纯氢脱碳发电成本和可行性的方法。通过使用公开可用的成本信息以及来自ETN组织成员所提供的资料，为每个场景生成平准化电力成本（LCOE），从而识别出实现燃气轮机零碳运行的关键机制。研究成果将使政策制定者、燃气轮机制造商和用户以及氢价值链、电力消费者、投资者和公众了解脱碳燃气轮机在能源转型中所能发挥的关键作用，并为欧盟提供灵活、安全、净零排放的能源系统。

三、研究结果

本技术经济研究通过对可调度热电应用中氢的使用进行详细的成本分析，解决了限制该技术推向市场的经济问题。鉴于欧盟现有的已安装燃气轮机资产基础，重点在于改造这些资产以用氢代替碳氢化合物的潜力。

该分析得出结论，对于高效率燃氢燃气轮机循环（如CCGT），平准化电力成本（LCOE）预计将增加至少60%，主要受氢气价格的影响，氢气价格可占燃氢燃气轮机LCOE的80%以上。对于低效率燃气轮机循环（如峰值OCGT），30%-70%之间的氢气混合可能与纯天然气相比在经济上没有竞争力，因为运营商需要支付增加的改造成本和氢气成本，同时还要为碳排放付费。就碳成本而言，目前成本太低，无法保证燃料从天然气转向氢气。燃氢燃气轮机的盈亏平衡碳成本（与当量天然气相比）显示为150欧元/吨至225欧元/吨。这大约是当前欧盟排放交易系统（ETS）价格的2到3倍，但值得注意的是，2021年这一价格同比增长了一倍多。

为了使欧洲燃氢燃气轮机未来的发展和实施成为可能，该研究确定了政策支持、研发和示范的六个关键领域。这些重点领域包括，降低氢气成本、碳成本增加、氢能基础设施开发、氢能领域耦合、氢燃烧技术研发及氢知识转让。