当前，电力系统的稳定性与灵活性日益重要，往复式发动机技术正逐渐成为现代发电系统中不可或缺的一环。虽然往复式发动机在工作原理上与汽车发动机相似，但在规模和应用上大有不同。它们启动迅速、输出调节灵活、在不同负荷下都能高效运行，因此在确保电网稳定、应对可再生能源间歇性波动以及推动多燃料应用中具有重要作用。
无论是在城市热电联产、数据中心供电，还是在偏远地区能源保障方面，往复式发动机技术正在为未来电力供应绿色升级提供坚实支撑。
搭建传统与未来的桥梁
相比于需要数小时才能达到满负荷的大型联合循环燃气轮机（CCGT），往复式发动机的全功率启动时间仅需几分钟。这一快速响应能力，使其在应对突发负荷激增或可再生能源供应不足时显得尤为关键。此外，由于模块化设计，电厂可以根据实际需求灵活调配发电量，从而大幅提升系统整体效率。
往复式发动机不仅能满足当下对电网可靠性的要求，更为未来能源结构转型提供了过渡方案。其多燃料适应性使得发动机能够使用天然气、生物气甚至氢气混合燃料，成为连接传统化石燃料与清洁能源的重要纽带。正如MAN Energy Solutions的高级业务拓展经理Michael Fiedler所说，这种灵活且分布式的燃气发电技术将在实现100%可再生能源供应的道路上发挥决定性作用。
发动机的多重应用场景
Fiedler提到，现在越来越多的热电联产（CHP）电厂开始采用燃气发动机技术。以德国为例，开姆尼茨、法兰克福和施瓦本哈尔等城市已有众多燃气发动机驱动的CHP项目上线。特别是随着德国逐步淘汰煤炭，这些燃气CHP电厂凭借90%以上的整体效率，更加节能环保，CO?排放也得到了有效降低。
图1：20V35/44G TS 燃气发动机。
此外，对于数据中心这类对供电可靠性要求极高的场所，燃气发动机表现依然出色。随着更多可再生能源接入电网，供电波动不可避免。数据中心在必要时可以减少对电网的依赖，而燃气发动机发电则能迅速填补因电力波动产生的缺口，确保数据中心持续稳定运行。对于尚未接入电网的数据中心而言，燃气发动机同样是经过验证的可靠电源，既能满足当前的负荷需求，也为以后接入电网后提供辅助服务奠定了基础。
Fiedler指出，目前美国正在规划和建设大量数据中心，其对发电能力的需求约为25GW，预计到2030年将增至47GW。为此，相关的电力投资约达500亿美元，而燃气发动机电厂在全天候稳定供电方面扮演着重要角色。
燃料多样性赋能未来
天然气依然是大多数往复式发动机电厂的主要燃料，既具有相对清洁的燃烧特性，又可利用现有的基础设施。然而，这些发动机的真正优势在于其多燃料适应性。除了管道天然气和液化天然气（LNG），许多发动机还可以在经过适当改造后使用石油气、来自垃圾填埋场或污水处理厂的沼气、生物质气化产生的合成气、备用的丙烷，甚至在某些型号中可采用原油和重油。此外，还可以使用最高可达25%氢气混合的燃料，矿井气和油气田伴生气也在适用范围之内。
燃料灵活性带来的好处主要体现在以下几个方面：
1.提升供能安全性：当某一燃料供应中断或价格高企时，电厂可以迅速转换到其他燃料，确保持续稳定运行。
2.降低发电成本：利用不同燃料间的价格波动，运营者可以选择更经济的燃料，从而维持竞争性的电价。
3.符合环保与法规要求：在排放标准日趋严格的背景下，通过转用生物气或氢气混合燃料，既满足环保要求，又避免了大规模设备更新。
4.适应偏远地区需求：在燃料供应有限的偏远或岛屿地区，发动机可以根据当地可获得的燃料设计运行方案，增强能源自主性。
此外，有的发动机已经能够使用包括生物气和由绿色氢气制成的合成天然气（电子甲烷）等多种气候中性燃料。甚至有的发动机还具备“氢气预留”功能，即在天然气中混入高达25%的氢气，厂家们对此正在做持续研究，一旦氢气能大量供应，将使氢气燃料在发动机中的使用率达到100%。例如，全球领先的重型机械供应商卡特彼勒（Caterpillar）推出了可使用氢燃料的燃气发电机组，其产品范围覆盖400kW至4.5MW，均支持天然气与最多25%氢气混合燃烧。
图2：美国犹他州希伯市公共电力供应商希伯电力运营的一座采用卡特彼勒技术的往复式发动机发电厂。
实际应用案例验证可行性
在实际应用方面，拉美的Scala数据中心平台成功完成了一项“概念验证”试验，证明了采用经过加氢处理的植物油（HVO，即“绿色柴油”）作为卡特彼勒备用发电机组燃料的技术可行性。绿色柴油来源于可再生原料，通过加氢处理后燃料质量更高、环境影响更低。据Scala介绍，与传统柴油相比，使用HVO可以减少高达85%的温室气体排放，同时维持数据中心的关键备份能力而无需对现有设备进行改动。
Sotreq电力部门负责人Mauricio Garcia指出，“在监测Scala测试过程中，我们发现使用HVO不仅能够降低维护成本，还能保护设备、减少温室气体排放。”不过，由于目前HVO在拉美的价格约为柴油的三倍，因此短期内大规模应用还存在一定经济挑战。Scala表示，他们将持续关注市场动态，期望在供应链各方探索出更具吸引力的商业条件，从而推动HVO的广泛应用。
在美国，已有超过800万加仑的HVO被用于发电，主要应用于加州、俄勒冈州和西南华盛顿等地的公共安全停电和因野火损毁输电线路后进行的应急供电。与此同时，挪威的STACK Infrastructure在奥斯陆Holtskogen的OSL04园区，也采用了纯度极高的HVO100作为备用电源。
Fiedler补充道，“我们已与法国EDF合作，在科西嘉岛建设130MW的发电项目，证明了生物燃料驱动发动机的应用前景。同时，我们也在与合作伙伴共同推进‘AmmoniaMot’和‘HydroPoLEn’两个项目，研发先进的氢气和氨气解决方案，这些项目均得到了德国联邦经济事务与能源部的支持。”
原文链接：https://www.powermag.com/reciprocating-engine-technology-supports-grid-flexibility-and-renewables-integration/
作者：Aaron Larson
本文已进行编译。
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