編者按：9月14日，第五屆未來能源大會舉辦氫能技術與應用發展專題論壇，聚焦于氫能領域的前沿技術和應用發展。本次論壇由中國能源研究會氫能專業委員會秘書長徐文輝主持，與會專家學者從氫能技術的標準、前沿技術研究和應用案例等幾個方面，對氫能產業以及未來能源的可持續發展展開深入探討。

卡特彼勒電力事業部資深行業經理于永堂先生作了《卡特彼勒純氫與摻氫燃氣內燃機發電技術介紹》演講。

以下內容根據論壇演講實錄進行整理。

于永堂：謝謝。我首先介紹一下我們講的純氫內燃機發電，剛才韋總講的是運輸汽車方面的，我們講的是靜止發電機方面的。

首先我們卡特彼勒可能知道比較多的就是一個挖掘機，實際上卡特彼勒是有三大業務塊組成的，一個是挖機事業部，還有一個就是我們中間的能源與交通事業部，就是我們所在的一個發電電力系統，還有一個就是礦產資源業務，也就是礦車運輸行業，還有后面的一些補助的金融融資，就不多介紹了。

另外就是卡特彼勒燃氣發電機組的應用是非常廣的，從廣泛的分布式，還有整個的污水處理沼氣，還有瓦斯發電等等都是有的，所以后來我們用氫能應用以后推出了100%純氫能應用，后面我會做介紹。當然我們是通過燃氣發電機組應用，我們就開了冷熱電三聯供的發電，還有一個就是整個的在北美市場上用的一個備用的發電機組關鍵負載的應用，這方面就是很好的控制我們的碳排放，同時氮氧化物也有非常大的降低。

另外就是我們這是整個卡特彼勒燃氣發電機組的圖譜，從最小的217一直到我們最大的內燃機發電是4500千瓦，就是4.5兆瓦，我們看一下有G系列，還有CG系列，實際上就是我們這些產品線大概有30多種機型，我們是在全球有三個地方生產，一個是在美國，還有一個是德國，還有一個是我們在天津生產的所有的G系列，天津生產的和美國生產的一樣的，就是很多美國生產線都遷移到中國天津這一塊兒來生產。

這個圖就是用不同的形式展現氫氣的來源和用途，我在這里不多說，不管是光電解還是水電解，我們也不看是灰氫還是綠氫，這個是我們整個的利用。我們大的來看就是100%的純氫應用，同時在這里還有在這里講到的就是綠氫，實際上我們在現實生活中還有很多的灰氫和副產氫，像后面你們看到的綠解、電解行業，還有我們的石油行業，還有焦油、煤氣這一塊兒我們都可以做一些利用。

這個就是我們整個的G3516H就是100%純氫，我們這個氫氣的發電不像燃料電池99.99或者是99.999，我們一氧化碳對燃料電池是作為一個催化劑，實際上一氧化碳對我們內燃機來講是一種燃料，所以說我們對一氧化碳的純度是沒有要求的，因為我們這些都可以作為燃料的一種來應用，因為這個很多特種鋼煉的時候就含有很高的一氧化碳，是一點問題都沒有的。同時我們對硫化氫的有害氣體的成分要求也不是特別高，不像燃料電池，它是非常非常小的那種要求。

同時，我們這個就是我們這個3516H是1500轉的，他是額定轉速，這個時候我們的氮氧化物排放量是很低的，它的氮氧化物的排放在不同的轉速氮氧化物的排量是很高的，就是怠速的時候是很高的，但是我們這個就是100。因為我們這個是內燃機發電，后端我們還有尾氣利用全部加起來可以達到80.5%，這個就是我們為什么要講摻氫的利用需求。同時我們也講到了，我們內燃機，也就是我們氫氣的純發電機是在內燃機的基礎上開發出來的，所以它的成本基本上和早期的天然氣發電機的成本是持平的，同時維護費用也不會增加太多。這是大的一個方向。

還有一個就是剛才韋總講到了很多內燃機發電的特性，在這里我就單獨了說一下，就不展開介紹了，我就說一下我們整個的一些難點是怎么克服的。實際上在這個里面，我們因為氫氣的燃燒特性是完全和原來的天然氣、汽油和甲醛是不一樣的，因為氫氣的點火能量需要的是特別特別低，它需要天然氣點火能量的6%就可以著火，汽油的8%，所以很容易造成早燃，甚至于回火。我們知道我們的發動機是有制熱的熱點，所以他很容易造成早燃，還會有回火，后面我們會針對這些回火有一些改進。我們原來是通過爆震來檢測我們的發電機是否運轉正常，但是因為氫氣的燃燒速度是天然氣、汽油的七到八倍，所以這個時候采用原來傳統的被動檢測已經來不及了，所以這個時候我們是采用一個主動的缸式壓力傳感器來進行檢測，檢測到任何不正常我們馬上進行修整，使發電機控制在一個正常穩定的狀態。

同時就是剛才講的，我們氫氣需要非常大的進氣量，所以說我們的增加器，我們的渦輪增壓器的控制更加的精準，都是做了很多的改進。同時，在我們這里看一下，我們所有的這些發電機、內燃機電控系統控制，都是在我們這個飛機上面的一個ECM的控制系統實現的，這些都是卡特彼勒自己開發的。

還有一個就是我們知道我們發電的時候講，就是很高的在線率，因為我們一年也就是8700多個小時，但是我們的內燃機運轉發電可以維持在8000小時以上，這個時候我們為了維持很高的在線率，我們做了很多的改進。首先我們用的就是氣門間歇液壓自動調節裝置，他是從原來的1000小事一調增加到4000小事一調。同時我們用了切口環的設計，它是活塞的配套，非常的精密，它整個就是防止它產生積碳，沒有產生積碳的時候，機油消耗就會特別特別低。同時我們這個發電機就像汽車一樣，水泵、油泵都是在機器上自帶的，而不是像傳統的友商用的是220V的交流電來點的電泵。所以這個時候我們就很容易實現冷啟動，就是只要有24V的電池就可以實現冷啟動。

同時，我們這個純氫內燃機是在G3516H的基礎上研發的，因為這個是十年以前的開發，它的大修周期達到8萬小時，另外就是運營維護成本是特別低的，也就是對這個H系列的機器。還有一個就是占地面積小，后面我還有一個總結。

剛才講的就是我們這個氫氣的燃燒的快，同時點火能量低，所以很容易造成早燃甚至回火。其實我們整個卡特彼勒的燃氣發電機，大家看一下綠的部分，實際上在每一個進氣管我們都是帶有阻火網的，就是卡特彼勒從一開始設計的時候就一直是有的，但是針對氫氣的時候，因為氫氣的整個的淬火間隙特別短，它很容易造成回火，并且很容易穿過金屬和金屬之間的間隙，所以很容易到后面回火，為了防止這個問題，我們在每一個里面都裝了有阻火網，這個就是我們卡特彼勒的優點。

其實和剛才講的一樣，不管是燃氣電池、還是內燃機還是用在交通上還是什么方面，我簡單的做了一個總結，就是整個的純氫內燃機發電的優勢，首先講純氫內燃機發電對于燃料電池來講，燃料電池發電都可以并網，對不對?但是我們這個純氫內燃機剛才講的他是一個旋轉的，旋轉的是帶動我這個發電機進行轉動，所以當并網以后，外界如果不穩的話，我可以通過旋轉來吸收這個不穩定的能量來平衡穩定性，這一點是我們內燃機發電只要是旋轉式發電都有的。但是對于整個的不管是光伏還是整個的風電，因為他們都是通過逆變器并網的，所以這是我們內燃機發電，或者說旋轉性慣性發電的一個最大的優勢，也就是優于電網的穩定性。

還有一個就是初始投資成本，它不是特別高，剛才韋虹總也講了，汽車是這樣的，實際上我們對發電機也是差不多的，整個的一個初期購置成本和天然氣機組會有稍微的提升，但是也不會太大。

還有一個就是我們這個機組是在1500轉轉速內的，它的溫度是最大的，效率也是最高的，當然還有一些低速機也在做，因為用氫氣發電推動船的也有很多，當然他們那個轉速低，功率會比我們大一點，但是1500轉來講我們這個是最大的。而且我們對于氫氣的純度要求是比較低的，就是一氧化碳我們作為一種燃料燃燒掉了，同時硫化氫我們有措施和改進，因為硫化氫對銅的腐蝕特別強，特別快，但是我們都會做一些改進，對這些整個的有害氣體的容忍度是非常高的。所以對這個氫氣的純度要求比較低。這樣使我們在對一些藍氫，特別是石油煉化，還有一些整個的別的一些電解行業，可以大大的節省我們氫氣的提純的純度要求。

同時剛才我講了，因為氫氣的點火能量低，所以氫氣很容易啟動，我們這個就不存在啟動困難的問題。對我們這個內燃發電機對于這個氫氣的低溫啟動是不受影響的。剛才也講了我們的綜合效率是比較高的，就是發電效率+熱效率，因為我們可以作為一個總的應用，所以整個的綜合效率是比較高的。

同時，我們這個內燃機是這樣的，就是說我們在最大負載的時候，我們的效率是最高的，所以我們的這種內燃機，不管是天然氣的還是氫氣發電，我們是希望大家100%負載，一直100%負載運行是最好的，這樣的運行是最經濟的。

還有一個就是剛才講的就是我們有自帶水泵，機油泵以及潤滑油泵，只要有24小時蓄電池，就可以很容易的實現黑啟動，當然這個是大家用天然氣發電的時候就知道黑啟動是什么意思，就是全部沒有外電的時候我整個機器啟動起來供電。還有一個就是大修周期，我們的大修周期會相當的高，同時終生運營維護成本很低，另外一個就是我們結構緊湊，占地面積也小。

另外我講一下摻氫，因為國家發改委是在2021年推出了天然氣管道20%摻氫的應用，實際上摻氫的時候你們看一下，如果是摻了氫以后我的碳排放是非常顯著的，當然對氮氧化物影響是20%還是比較小的，后面的時候就是當我們達到100的時候我們的碳排放為零，但是其實還是有的，為什么呢?因為它會產生氮氧化物。但是我們為了控制氮氧化物最低，我們可以控制在100ppm，因為它的轉速是恒定的。

另外就是卡特彼勒針對當前全世界的應用，我們是全線推出了25%的摻氫的升級套件的應用，實際上我們所有的剛才講的賣出去的從400千瓦一直到4.5兆瓦，所有的天然氣機組都可以應對以后國內20%摻氫的應用，只要加裝我們該裝的一個套件以后，就可以在原來天然氣的基礎上運行20%的摻氫。實際上我們設計的極限是25%。

實際上卡特彼勒早期的時候對整個的氫氣利用經驗是非常多的，特別是對后面這個大的機組，我們4.5兆瓦這個，就是60%的氫氣，他已經用了差不多20年的時間了。還有一個是G3500列是40%的氫氣，還有最高的就是132B系列，它有80%的氫氣，當然這個80%的時候它的輸出功率比天然氣是降一點的，就是因為它需要大量的空氣，我不能像原來控制那么多的進氣量，所以說功率會降低一些。

還有一個就是講到這個我就大概的講一下我們的一些應用案例，這個首先一個純氫內燃機的熱電系統實際上我們是在美國能源部合作的一個項目，這個項目就是整個的可以做到三個同時運行，就是可以100%純氫運行，20%摻氫運行和100%純天然氣運行，這個是和美國合作的一個項目。

還有就是一些熱電聯供的一些傳統的3520H，這個是一個數據中心的，就是我們整個的不管是電，再加上一些排溫，我們都可以做一些收集，這樣可以對整個項目進行供電和制冷。這是另外一個云計算的項目，是兩臺4.5兆瓦的，我們這么大的機組都可以做到黑啟動，當然它的黑啟動是需要一些輔助的。還有一個是一個機場的三聯供的一個設計。

因為氫氣的成本是非常高的，所以對現階段來講做三連供應用可能不太現實，但是對于我們這種氫氣內燃機來講，在當前作為一個儲能方式是非常非常合適的，特別是你不管是光伏儲電以后，你的電沒有用的時候，我可以電解產生氫氣，當你需要電的時候，如果是沒有光或者說沒有風的時候，我就反向從X到電，這個X就是從氫氣或者是甲醇都可以發電，這個可以作為一個很好的儲能方式來考慮。另外一個就是這個投資成本應該是會好很多，同時剛才我也講了一些并網的優勢，我感覺我們的純氫內燃機發電還是非常有優勢的。

謝謝大家!