BIGH2/Fase III – “Enabling safe, clean and efficient utilization of hydrogen and ammonia as the carbon-free fuels of the future”

Industrielle gassturbiner brukes til produksjon av kraft og til mekanisk drift av andre maskiner. Dagens industrielle gassturbiner bruker naturgass eller diesel drivstoff som drivstoff. Utslipp av CO₂ fra industrielle gassturbiner vil kunne fanges i post-combustion fangstanlegg. De samme utslippene vil alternativt kunne reduseres med å bruke drivstoff med lavt karbon-innhold som kan produseres av fossile brensler på en sentral lokasjon med CO₂ håndtering. Hydrogenrike drivstoff er den mest aktuelle gruppen av lav-karbon drivstoff for gassturbiner. Bruk av hydrogenrike drivstoff i dagens industrielle gassturbiner vil imidlertid gi for høye utslipp av NOx. For at dagens gassturbiner skal kunne bruke hydrogenrike drivstoff med akseptable utslipp av NOx så blandes drivstoffet ut med nitrogen eller vanndamp før forbrenning. Ulempen med dette er at den termiske virkningsgraden til gassturbin reduseres, og dermed øker driftskostnadene. Målet til dette prosjektet er å utvikle kunnskap og teknologi som gjør at gassturbiner kan brenne hydrogenrike drivstoff med akseptable utslipp av NOx uten en tilhørende reduksjon i turbinens termiske virkningsgrad. Prosjektet vil dermed kunne muliggjøre en ny type CCS verdikjede hvor CO₂ håndtering foregår i forbindelse med produksjon av hydrogenrike drivstoff, med potensielt lavere fangstkostnader og større operasjonell fleksibilitet enn for post-combustion fangst fra gassturbiner.

Bakgrunn og hensikt med prosjektet ?
Avanserte lav-NOx-brennere (state-of-the-art) i gassturbiner for kraftproduksjon er basert på at brensel og oksidant blandes (helt eller delvis) i forkant av forbrenningen. Med dagens kunnskap innebærer dette at det ikke er mulig å kombinere lave NOx-utslipp med effektiv forbrenning av hydrogen. Dette teknologigapet ønsker prosjektet å lukke for å muliggjøre scenarioer for industriell anvendelse av gassturbiner med nullutslipp av CO₂. Problemet ligger hovedsakelig i utfordringer knyttet til flammestabilitet ved bruk av brensler med høy reaktivitet (hydrogen). En standard løsning for å begrense flammens reaktivitet og dermed dens ustabilitet er å fortynne hydrogentilførselen med damp eller nitrogen. Dette har imidlertid en betydelig kostnad på grunn av tapt termisk virkningsgrad (separasjon/kompresjon av nitrogen utgjør rundt 5%-poeng lavere virkningsgrad) og redusert dekningsbidrag (OPEX/CAPEX) på grunn av utstyr og prosesser nødvendige for hydrogenfortynning
med damp/nitrogen. For industrielle anvendelser vil løsningen skissert ovenfor være lite hensiktsmessig, særlig i offshore- installasjoner hvor vekt og plassbehov er begrensede. Her er ofte ettermontering umulig. Behovet for store mengder nitrogen til fortynning av gassturbinbrenselet vil også være en ulempe.
Prosjektet vektlegger derfor utvikling og testing av brennere for gassturbiner fyrte med ammoniakk som primær brensel, delvis eller fullstendig splittet til hydrogen or nitrogen ved hjelp av spillvarmen fra gassturbinen. Ammoniakk er vesentlig enklere å frakte og lagre enn hydrogen. Dersom prosjektet vil kunne bekrefte sikker og risikofri bruk av ammoniakk som hovedkilde for et nytt gassturbinbrensel, og dette vil tilfredsstille kravene til industriell anvendelse, vil ammoniakk være et viktig bidrag til reduksjon av CO₂-intensiteten i norsk olje- og gassvirksomhet. Samtidig vil prosjektet berede grunnen for lignende prosjekter i andre sektorer innenfor industri og transport både nasjonalt og internasjonalt. Prosjektet bygger forøvrig på to foregående faser av BIGH2 (Fase I, 2008-2011, og Fase II, 2012-2015), og anvender dedikert metodikk for videreføring av allerede oppnådde resultater tilknyttet forbrenningsteknologi.

Hva er målet til prosjektet ?
Målet til prosjektet er å gjøre det mulig å bruke karbonfrie brensler i moderne gassturbiner. Dermed flyttes behovet for CO₂-håndtering fra stedet der brenselet forbrennes (distribuert) til stedet der brenselet fremstilles/foredles (sentralt). Det foreslåtte prosjektet rettes mot Siemens SGT750 gassturbinen og bruk av karbonfrie brensler i industrielle anvendelser i effektklassen ~40MWe (spesielt offshore). Prosjektet skal utvikle, teste og demonstrere sikker, effektiv og ren forbrenning (lav-NOx) av utvalgte karbonfrie brensler basert på blandinger av hydrogen, nitrogen og ammoniakk. Prosjektet skal øke teknologisk modenhet for brennere som er testet og verifisert i laboratorieskala (TRL4) og dette omfatter fullskala demonstrasjon for en enkelt brenner av Siemens SGT-750 i relevante omgivelser innrettet mot industriell anvendelse offshore og on-shore (TRL6). Dessuten skal prosjektet sikre stabil drift av gassturbinene. Brennkamrene skal sikres mot termo-akustisk ustabilitet ved å kartlegge forbrenningsdynamikk (interaksjon mellom flammens varmeavgivelse og akustikk i et annulært brennkammer) knyttet til nye og uprøvde karbonfrie brensels-sammensetninger (blandingsforhold). Prosjektet skal også avklare HMS-aspekter relatert til introduksjon av ammoniakk som drivstoff i gassturbiner i industrielle anlegg offshore og on-shore.

Hva har prosjektet gjort i form av aktiviteter?
Prosjektet har hittil (høst 2019): 1) undersøkt i detalj de fundamentale egenskapene til hydrogen/ammoniakk blandinger som gassturbinbrensler ved utstrakt bruk av kjemisk kinetikk (i samarbeid med UCSD) og Direkte Numerisk Simulering av relevante forbrenningskonfigurasjoner (i samarbeid med Sandia NL); 2) undersøkt eksperimentelt på forenklet brennerkonfigurasjoner termo-akustiske og utblåsings egenskapene til hydrogen/ammoniakk flammer; 3) undersøkt eksperimentelt på en nedskalert SGT750 brenner flammestabilitet og NOx-utslipp ved fyring med en 75%-25% hydrogen/nitrogen blanding som representerer fullstendig splittet (craked) ammoniakk.

Hva har prosjektet oppnådd? Ble målene til prosjektet oppnådd ?
Resultatene har hittil i prosjektet vært lovende og oppnådd økt kunnskap om fundamentale egenskaper til hydrogen/ammoniakk flammer samt vist at Siemens SGT750 gassturbinen kan sannsynligvis (etter den nødvendige fremtidige demonstrasjonen på fullskala) opereres med en 75%-
25% hydrogen/nitrogen brenselsblanding som følge av fullstendig splitting av ammoniakk som primærbrensel.

Fremtidige planer ?
Den nedskalerte SGT750 brenneren skal i løpet av høsten 2019 testes ved SINTEF/NTNU laboratorier med bruk av ammoniakk/hydrogen/nitrogen brenselsblandinger på høyt trykk for å bevise at dens operasjon med delvis splittet ammoniakk er mulig (for å sikre fleksibilitet i forhold til anvendelse av spillvarmen fra gassturbinen). Dessuten skal den nedskalerte, realistiske brennergeometrien også testes for termo-akustiske ustabiliteter som kan oppstå mellom «pilot» og «main» stadiene.