BIGH2 prosjektet utvikler gassturbiner som kan bruke karbonfrie drivstoff som fjerner utslippet av CO₂. Målet til prosjektet er å utvikle løsninger som gjør at gassturbiner får like god ytelse med karbonfrie drivstoff som med dagens fossile drivstoff.

Gasskraft har høyere virkningsgrad og vesentlig lavere CO₂-utslipp enn kullkraft, men utslippene fra gasskraftverk må likevel reduseres for å nå klimamålene.

“En bærende idé for BIGH2 har derfor vært å fasilitere overgangen til drivstoff med lavt karboninnhold”, forteller prosjektleder Andrea Gruber ved SINTEF.

Karbonfrie drivstoff

Hydrogen er et lovende alternativ til fossile drivstoff fordi forbrenning av hydrogen gir vanndamp som avgass, men det er også utfordringer med bruk av hydrogen sammenlignet med fossile drivstoff:

Hydrogen har lav tetthet, slik at den må transporteres under høyt trykk, eller i væskeform ved svært lav temperatur.

Høyere sikkerhetsrisiko fordi hydrogen er lett antennelig og mer eksplosivt.

Forbrenning av hydrogen gir høye flammetemperaturer som kan medføre utslipp av nitrogenoksider (NO_x) som overskrider lovbestemte utslippsgrenser. NO_x er en lokal forurensing som kan gi mennesker luftveisproblemer og som gir sur nedbør.

Det er mer utfordrende å kontrollere forbrenning av hydrogen enn hydrokarboner, og kombinert med høye flammetemperaturer øker det risiko for skade og nødstopp av turbiner.

Utfordringene med hydrogen førte til at prosjektet valgte å studere bruk av ammoniakk (NH3) som drivstoff. Ammoniakk produseres i store mengder over hele verden, blant annet som råvare til produksjon av kunstgjødsel, slik at det finnes allerede en godt utbygd infrastruktur for transport av ammoniakk.

BIGH2-prosjektets fase 3 studerte forbrenning av hydrogen og ammoniakk i modeller av brennkammere til en industriell gassturbin fra Siemens. Brennkammeret er den delen av en gassturbin hvor flammen står.

Ammoniakk har dårligere forbrenningsegenskaper enn fossile drivstoff, og må derfor blandes med mer reaktive stoffer for å oppnå en stabil flamme. Ved å splitte en andel av ammoniakk-drivstoffet til hydrogen og nitrogen får drivstoff-blandingen bedre forbrenningsegenskaper. Siden denne splittingen er en energikrevende prosess, så har prosjektet har fokusert på å identifisere det energi-optimale blandings-forholdet av ammoniakk, hydrogen og nitrogen.

“I prosessen vår utnytter vi spillvarmen fra gassturbinen til å splitte ammoniakk for å øke brenselets reaktivitet og samtidig oppnår vi en økning i virkningsgraden for hele anlegget. Med dette systemet åpner vi dermed for konkrete muligheter til å redusere kostnadene knyttet til ulike CCS-kjeder”, forteller Andrea Gruber.

Redusert NO_x-utslipp

En utfordring er at forbrenningen av ammoniakk-anriket brensel, om det ikke gjøres på riktige måte, kan også resultere i betydelige utslipp av NO_x og potente klimagasser som lystgass (N₂O). Ved å organisere forbrenningen i ulike stadier i brennkammeret, har prosjektet klart å redusere dannelsen av NO_x og N₂O til et akseptabelt nivå.

Andrea Gruber og forskerteamet hans jobbet lange timer ved skrivebordet før det ble gjennomført eksperimentelt arbeid i laboratoriet. Det ble gjennomført mange småskala forbrenningseksperimenter i SINTEFs trykksatte forbrenningsrigg på Gløshaugen for å teste ut flammestabiliteten til de ulike drivstoffblandingene, og for å måle utslippene av NO_x. Måledata fra forsøkene ble deretter brukt i programvare for numerisk simulering til å modellere flammer av ulike sammensetninger av ammoniakk, hydrogen og nitrogen. Data ble utvekslet med partnere ved NTNU i Trondheim og med Sandia National Laboratories i USA.

“Det viktigste resultatet fra prosjektet er at vi nå har sett at det er mulig å bruke ammoniakk som energibærer – ingen store hindre er funnet. BIGH2 har vist oss hvordan dette kan gjøres. Den kunnskapen hadde vi ikke da prosjektet startet opp”, forteller Andrea Gruber.

Bredt samarbeid

Som partnere i BIGH2-prosjektet har SINTEF med seg NTNU, Siemens og Equinor mens amerikanske Sandia National Laboratories og University of California, San Diego er involvert som eksterne samarbeidspartnere.

Veien videre

“Fremtidig arbeid vil fokusere på utvikling og demonstrasjon av en modifisert DLE (dry low emission) brenner og forbrenningskammer. Vi vet nå at dette kan gjøres men vi må finne den optimale måten å implementere systemet i en gassturbin. Hovedmålet er å oppnå brensels-fleksibilitet, det vil si å skape en gassturbin som kan sømløst transisjonere mellom naturgassfyring og anvendelse av et optimalisert ammoniakkbasert brensel, i et realistisk brennerdesign”, sier Andrea Gruber.

Vitenskapelige publikasjoner

• Chemical kinetics of hydrogen/ammonia flames:
  • https://doi.org/10.1002/er.4891
• Spatial patter of NO_x formation in hydrogen/ammonia flames:
  • https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2021.111520
• Blow-out limits of hydrogen/ammonia vs methane turbulent flames:
  • https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.07.011
• Pressure scaling of flame propagation in hydrogen-enriched flames:
  • https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2021.111740
• Experimental demonstration of rich-lean staging of hydrogen/ammonia combustion in a gas turbine burner