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在“燃?xì)廨啓C(jī)在全球能源轉(zhuǎn)型中的作用”的討論中，經(jīng)常有人會(huì)問，未來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)使用氫氣作為主要燃料嗎？而不是通常的航空煤油、燃油或天然氣。

為什么是氫氣？正如作者 Peter Hoffman 在《The Forever Fuel: The Story of Hydrogen》中指出的那樣，氫是一種通常不可見、無(wú)味的無(wú)色氣體，是宇宙中最豐富的元素。作為燃料，它非常有活力且無(wú)污染，可與氧氣反應(yīng)生成水H2O。

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)說(shuō)，氫氣是最好的燃料。它重量輕，比熱值最高，是所有燃料中最高的——大約是航空煤油的三倍。然而，它是一種必須消耗能源來(lái)制造的載體，例如通過水的電解或天然氣的蒸汽重整。最近，這些特性被認(rèn)為將氫用于儲(chǔ)能是一個(gè)非常好的手段。

燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)涞囊恍v史

氫氣可以用來(lái)為燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力嗎？回答這個(gè)問題的一個(gè)直接方法是重述燃?xì)廨啓C(jī)作為飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一些早期歷史。

世界上首臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力飛行于 1939 年 8 月 27 日星期日在德國(guó)羅斯托克附近波羅的海沿岸的 Heinkel 飛機(jī)制造廠機(jī)場(chǎng)進(jìn)行。它是在 Heinkel He 178 單發(fā)飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，該飛機(jī)由發(fā)明家 Hans von Ohain 博士的 He S 3B 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，以汽油為燃料。

然而，這臺(tái)推力為989 磅 (lbt)的He S 3B 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上卻是基于一個(gè)氫燃料噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目發(fā)展而來(lái)的。這臺(tái)燃?xì)涞膰姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)命名為 He S1，He S 在德語(yǔ)里表示Heinkel Strahltriebwerk（Heinkel 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)），這臺(tái)推力250 磅、10,000 轉(zhuǎn)/分鐘的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)于 1937 年 3 月首次在地面測(cè)試中運(yùn)行。

圖 1. 1936/1937 年的 He S1 發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖，推力為 250 磅，轉(zhuǎn)速為 10,000 rpm，直徑為 30 cm。離心轉(zhuǎn)子。(A) 進(jìn)氣口，(B) 軸向壓氣機(jī)葉片，(C) 離心式壓氣機(jī)，(D) 氫氣入口，(E) 氫氣噴射器，(F) 燃燒器，(G) 徑向渦輪機(jī)，(H) 排氣噴嘴。

當(dāng)時(shí)28 歲的 von Ohain將其描述如下：“我打開點(diǎn)火開關(guān)，小心地打開氫氣閥。點(diǎn)火開始是可聽見的。聽起來(lái)像是燃?xì)鉄崴鞯狞c(diǎn)火。發(fā)動(dòng)機(jī)靠自己的動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)，很容易加速。在更高的轉(zhuǎn)速下，它開始產(chǎn)生所有后來(lái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的典型聲音?！?/p>

在這臺(tái) 1937 年的第一臺(tái)德國(guó)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，von Ohain 博士使用了氫氣，因?yàn)樗哂懈呋鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣取捜紵龢O限和氣態(tài)（液態(tài)汽油帶來(lái)的液滴燃燒挑戰(zhàn)后來(lái)在HS 3B 中得到解決）。

Von Ohain 進(jìn)一步解釋說(shuō)：“我們?cè)谄孔永锸褂昧艘徽M氫氣，我們讓渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行了 2 到 5 分鐘，直到氫氣耗盡。這是一個(gè)幾分鐘的數(shù)量級(jí)，我沒有氫氣燃燒方面的問題，但金屬燒壞是一個(gè)相當(dāng)大的問題?！?/p>

von Ohain 早期運(yùn)行的第一臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)可以很容易地使用純氫氣運(yùn)行。大約 20 年后，普惠公司工程師開發(fā)了一種帶有加力燃燒室的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)依靠液氫運(yùn)行，在大氣壓力和約 - 420°F 下低溫儲(chǔ)存。這項(xiàng)工作始于 1956 年，稱為“304 Suntan 項(xiàng)目”，該發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了 4,700 lbf，該發(fā)動(dòng)機(jī)將為凱利·約翰遜、洛克希德臭鼬工廠、馬赫數(shù)為 2.5 的 CL-400 偵察機(jī)提供動(dòng)力。

圖 2.帶加力燃燒室的液態(tài)氫燃料普惠飛機(jī) 304 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)備在 1950 年代后期在佛羅里達(dá)州進(jìn)行測(cè)試。

Dick Mulready對(duì)氫燃料 304 發(fā)動(dòng)機(jī)的描述是一個(gè)引人入勝的故事。5 臺(tái) 304 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的早期測(cè)試和后續(xù)生產(chǎn)于 1956 年至 1959 年在康涅狄格州東哈特福德工廠進(jìn)行。隨后在該公司位于西棕櫚灘內(nèi)陸西部 7000英畝的新佛羅里達(dá)研發(fā)中心進(jìn)行了廣泛的測(cè)試沼澤地。304 試驗(yàn)臺(tái)的區(qū)域有 Loxahatchee slough 的彩色名稱。304 發(fā)動(dòng)機(jī)試運(yùn)行被稱為“沼澤怪物”，其特點(diǎn)是低頻嘯叫會(huì)隨著油門推進(jìn)而增加，直到在全推力時(shí)變得聽不見。測(cè)試結(jié)果表明渦輪入口溫度曲線是平坦的，其曲線優(yōu)于現(xiàn)有的航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。

Suntan 304 發(fā)動(dòng)機(jī)取得了成功，但裝機(jī)的 CL-400 飛機(jī)卻失敗了。正如杰克康納斯所說(shuō)，這架飛機(jī)將是一個(gè)飛行的保溫瓶，用于低溫容納液氫燃料，使其飛行范圍很小。取而代之的是，洛克希德和普惠公司走上了一條不同的道路來(lái)開發(fā)黑鳥 SR-71飛機(jī)，其裝配的 JP-7 噴氣燃料 J58 渦輪噴氣/沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。可以通過在機(jī)翼和機(jī)身的每個(gè)可用體積中填充碳?xì)淙剂蟻?lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的航程——這是液氫無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

氫的儲(chǔ)能作用

那么，為什么目前人們對(duì)燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)感興趣？它與可再生能源的使用增加有關(guān)，即風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽(yáng)能設(shè)備產(chǎn)生的電力。當(dāng)風(fēng)吹日曬時(shí)，電力就產(chǎn)生了，但是當(dāng)客戶需求不足時(shí)會(huì)發(fā)生什么？多余的發(fā)電可以儲(chǔ)存起來(lái)以備將來(lái)使用，但如何儲(chǔ)存？

特納等人主張，太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)生的電力可用于電解水以生產(chǎn)氫氣（當(dāng)然還有氧氣）。只是為了估計(jì)有多少水，他指出，如果全部配備燃料電池，每年 1000 億加侖的水可以為大約 2.5 億輛汽車的美國(guó)輕型車隊(duì)提供氫氣。相比之下，美國(guó)每年僅用于汽油生產(chǎn)就使用大約 3000 億加侖的水，是預(yù)計(jì)用于產(chǎn)生氫氣的水的三倍。

如此產(chǎn)生的氫氣可以儲(chǔ)存在地下洞穴（天然或人造鹽洞）中，用作許多現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠（或直接用于稀有燃料電池發(fā)電廠）的燃料。

目前，正在全球各國(guó)在開展大量研究（特別是在歐洲和日本），將電解產(chǎn)生的氫氣直接注入現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡(luò)（管道、儲(chǔ)罐等），這些網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠提供燃料。這將利用剩余的可再生能源直接減少二氧化碳發(fā)電廠的產(chǎn)量。

需要解決有關(guān)向天然氣中添加氫氣可能會(huì)增加氮氧化物產(chǎn)生的燃燒問題。目前的結(jié)果表明，燃?xì)廨啓C(jī)天然氣燃料中添加高達(dá) 5-8% 的氫不會(huì)成為 NOx 生產(chǎn)的問題。在日本，三菱公司已經(jīng)成功地在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒了 30% 的氫和天然氣燃料混合物。

儲(chǔ)能的理想經(jīng)濟(jì)模式是“低買高賣”，用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的廉價(jià)儲(chǔ)存氫燃料應(yīng)該符合這種經(jīng)濟(jì)模型！