Nye brensler for karbonfri kraftproduksjon

BIGH₂–prosjektet utvikler teknologi for å kunne bruke hydrogen
og ammoniakk som karbonfrie drivstoff i industrielle gassturbiner.

Gassturbiner som bruker karbonfrie drivstoff innen 2030

INDUSTRIAKTØRER HAR SOM MÅL å levere gassturbiner som bruker karbonfrie drivstoff innen 2030. De skal ha samme ytelse som dagens gassturbiner, som drives av naturgass, og møte dagens krav til utslipp av nitrogenoksider.

Prosjektet utforsker et par sentrale utfordringer som følger av bruk av hydrogen som drivstoff i gassturbiner. Å sikre at flammen står stabilt i brennkammeret, og at den høye flammetemperaturen kan gi for høye utslipp av nitrogenoksider.

Ny brenselsteknologi

BIGH₂-prosjektet ser på muligheten for å bruke ammoniakk (NH₃) som hydrogenbærer fordi det er enklere å håndtere enn hydrogen.

Mens hydrogen er et relativt nytt brensel i kraftproduksjon, blir ammoniakk produsert i store mengder til for eksempel produksjon av gjødsel og transporteres i store volumer i flytende form.

«Ammoniakk er et velkjent kjemisk stoff, og vi har lang akkumulert erfaring fra alle deler av verdikjeden. Et utstrakt distribusjonsnett er allerede på plass, og vi har gode systemer og sikkerhetsmekanismer for håndtering av kjemikaliet», sier prosjektleder Andrea Gruber ved SINTEF.

Derfor er målet med BIGH₂-prosjektet å undersøke om ammoniakk kan brukes som energibærer i produksjon av kraft med store gassturbiner.

Splitting av NH₃

Utfordringen er at ren ammoniakk er et sub-optimalt drivstoff for gassturbiner. Derfor foreslår BIGH₂ at ammoniakk-molekylet splittes til hydrogen og nitrogen ved å varme den opp i en katalysator.

«Før man sender ammoniakken inn i gassturbinen, så kan man splitte den helt eller delvis ved gjenbruk av spillvarme, slik at man får nytte av hydrogenet, som er svært reaktivt», sier Gruber. «I dette prosjektet fokuserer vi på hvordan blandinger av ammoniakk, hydrogen og nitrogen oppfører seg i forbrenningen, sammenlignet med naturgass».

Det er et viktig poeng å begrense hvor mye ammoniakk som må splittes for å få til stabil forbrenning. Splittingen forbruker spillvarme fra gassturbinen, og denne varmen har alternativ bruksverdi. Derfor er hensikten med prosjektet å finne den optimale blandingen av hydrogen, nitrogen og ammoniakk som krever minst mulig splitting av ammoniakk.

Reduksjon av NO_x-utslipp

En annen utfordring med forbrenning av ammoniakk er at det dannes forurensende nitrogenoksider (NO_x) i prosessen. «Derfor fokuserer vi på å redusere dannelsen av NO_x i brennkammeret.» sier Gruber. «Vi prøver å finne ut hvilke tilstander i brennkammeret som gir minst dannelse av NO_x, blant annet ved å organisere forbrenningen i ulike stadier i brenneren. Men vi ser også på løsninger der vi bruker ammoniakk som reduksjonsmiddel.»

Forskerne ser på utfordringene fra flere vinklinger.

«Ved SINTEF jobber vi med å forstå bedre de grunnleggende prosessene i forbrenningen. Vi har modellert flammene fra hydrogen og ammoniakk, slik at vi oppnår en bedre forståelse av effekten av disse nye brensel-sammensetninger. Det har krevd en omfattende og koordinert innsats med våre forskningspartnere,
NTNU i Trondheim og Sandia i California,» sier Gruber.

De eksperimentelle forsøkene er utført ved SINTEFs trykksatte forbrenningsrigg på Gløshaugen, der en nedskalert versjon av en gassturbin-brenner brukes for å vurdere om stabil og ren (lav-NO_x) forbrenning er oppnådd.

Godt samarbeid

«Vi bruker en avansert Siemensbrenner, der forbrenningsprosessen er delt opp i tre stadier. Vi eksperimenterer med ulike sammensetninger av brenselet i de tre stadiene. For eksempel så sender vi ren ammoniakk i et av stadiene, og splittet ammoniakk i et annet. Hvis vi splitter brensellinjene i to eller tre, finner vi de mest optimale løsningene.»

Samtidig kjører NTNU eksperimenter på enklere flammer som går gjennom en mindre kompleks brenner enn Siemens-brenneren, men som gir mye kunnskap om hvordan de nye brensel-sammensetningene oppfører seg i forhold til naturgass.

«Dette er en veldig fin gruppe av partnere. Kombinasjonen av sterke forskermiljøer ved SINTEF og NTNU, og industrilokomotivene Siemens og Equinor – som begge har konkrete planer om å utvikle hydrogen som energibærer – har vært av stor betydning for prosjektet. Sammen modner vi en teknologi som nå trenger en liten dytt for å bli realitet», sier Gruber.