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

Introduksjon
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 industrielle gassturbiner 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 med ammoniakk som primærbrensel, 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 bruk av ammoniakk som brensel kunne gi 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 kunnskap, erfaring og 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 (særlig relevant i moderne offshore anvendelser). 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 en Siemens gassturbin 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 onshore.

Hva har prosjektet gjort i form av aktiviteter?

Prosjektet har gjennomført følgende aktiviteter:
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 flammestabilitet og NOx-utslipp i en nedskalert SGT750 brenner ved atmosfærisk og høytrykk fyring av denne med et stort antall forskjellige blandinger av ammoniakk, hydrogen og nitrogen, fra ren ammoniakk til fullstendig splittet ammoniakk (75% hydrogen og 25% nitrogen på volumbasis);
4) undersøkt vha avansert numerisk modellering (Large Eddy Simulation/LES og Chemical Reactors Network/CRN) flammestabilitet og NOx-utslipp i en lignende nedskalert SGT750 brenner;
5) undersøkt risikoen knyttet til bruk av ammoniakk som energibærer ifm offshore anvendelser;
6) undersøkt flamme- og eksplosjonsgrenser for ammoniakk/hydrogen blandinger;
7) testet 100% hydrogenfyring av en enkel Siemens SGT600-brenner (3. generasjon DLE brenner) ved full-load tilstand og 60% hydrogenfyring av hele gassturbin (opp til full-load).

Hva har prosjektet oppnådd? Ble målene til prosjektet oppnådd?

Prosjektet har oppnådd følgende resultater:
1) Den første «korte» kjemisk reaksjonsmekanismen for numerisk modellering av hydrogen/ammoniakk flammer er utviklet i samarbeid med UCSD og er blitt en anerkjent «standard» og opplever en bred anvendelse ifm storskala simuleringer (DNS/LES) av forbrenning i gassturbiner og stempelmotorer.
2) Den første detaljerte karakteriseringen av utblåsing i laminære og turbulente forblandet hydrogen/ammoniakk-luft flammer er gjennomført ved å sammenligne disse til forblandet metan-luft flammer med lignende (nominelle) forbrenningsegenskaper. Dette har viktige implikasjoner ifm utledning av ingeniørmessige korrelasjoner for estimering av den turbulente forbrenningshastighet.
3) Den første detaljerte karakteriseringen av forbrenningsdynamikk (thermo-acoustic instabilities) som oppstår ifm hydrogen/ammoniakk-luft forbrenning i enkle brennkamre og ringformede (annular) brennkamre er gjennomført og sammenlignet med tidligere observasjoner fra metan-luft forbrenning. Dette har viktige implikasjoner ifm overførbarhet av forskningsdata fra nedskalerte lab-eksperimenter, numeriske analyser og fullskala brennertesting til gassturbiner med annulære eller hybride (can-annular) brenneroppsett, hhv Siemens SGT600 vs Siemens SGT750.
4) Den kombinerte effekten av forbrenningstrykket og rask molekylær diffusjon av hydrogen, som forårsaker en betydelig økning i flammefrontens akselerasjonen, er vist og diskutert i stor detalj for første gang. Dette har viktige implikasjoner for å oppnå optimal drift og stabilisering av forblandet hydrogenflammer i gassturbiner.
5) Den positive effekten på NOx og N2O utslipp fra et Siemens 4. generasjon DLE brennerdesign (fra SGT750 gassturbinen), basert på et rik-mager «staging» strategi av forbrenningsprosessen, er demonstrert for hydrogen/ammoniakk-luft flammer, mellom atmosfærisk trykk og 10 bar, i SINTEFs «HIPROX» rigg. Eksperimentelle målinger bekrefter trendene fra numeriske modeller av samme brennerkonfigurasjon (LES/CRN).
6) Lav-NOx 100% hydrogenfyring av en enkel Siemens 3. generasjon DLE brenner (fra SGT600 gassturbinen) ved en operasjonell tilstand som tilsvarer full-load er demonstrert, samt lav-NOx 60% hydrogenfyring av hele SGT600 gassturbinen (opp til full-load).
7) Risikoen knyttet til bruk av ammoniakk som energibærer og konsekvensene av en ammoniakk lekkasje fra et FPSO-fartøy er kartlagt og evaluert.

Fremtidige planer?

Resultatene fra BIGH2/Fase III har vist at, ved hjelp av en rik-mager fordeling av forbrenning i eksisterende DLE design for gassturbinbrennere, det er mulig å samtidig oppnå en stabil flamme og relativt lave NOx/N2O utslipp ved bruk av et ammoniakkbasert brensel (NH3/H2/N2 blanding). Derimot er det fremdeles uklart hvordan denne rik-mager fordelingen skal gjøres på den best mulige måten siden kun marginale modifikasjoner av et eksisterende brennerdesign var testet. En optimalisering av brenneren og av forbrenningskammer er nødvendig for å sikre at, på den ene siden, i den brenselsrike (og veldig varme) primær forbrenningssonen, varmeoverføring til de mest utsatte metalldelene ikke overstiger materialegenskapene og, på den andre siden, injeksjon av sekundær luft oppnår gunstig innblanding med og forbrenning av gjenstående brensel (hydrogen).

Derfor, fremtidig arbeid vil innebære forskning, utvikling og demonstrasjon av en modifisert DLE brenner, samt forbrenningskammer, der hovedmålet er brenselsfleksibilitet, dvs sømløs transisjon mellom naturgassfyring og anvendelse av en optimalisert ammoniakkbasert brensel, i et realistisk brennerdesign. I denne sammenhengen er det viktig med kontinuerlig fokus på Siemens 4. generasjon DLE brenneren og SGT750 gassturbinen på grunn av:

1) SGT750 er den nyeste og mest moderne gassturbinen i Siemens portfolioen for 30-50 MWe klassen;
2) Denne klassen av gassturbiner er den mest relevante i Norsk sammenheng, særlig for transisjonen til en olje og gass industri med et lavere karbon fotavtrykk;
3) SGT750 er karakterisert av en såkalt «can-annular» oppsett som sikrer optimal og sømløs overførbarhet fra forskning, utvikling og demonstrasjon gjennomført på en enkel brenner/brennkammer til senere pilottesting på hele maskinen.