BIGH2 Innovation / Phase 4 – «Developing a fuel-flexible, low-carbon industrial gas turbine»

Bakgrunn
I den pågående energitransisjonen, og i flere tiår fremover i tid, vil man ikke kunne regne med at spesifikke brensler er tilgjengelig til enhver tid og i store nok mengder. Energiforsyningssikkerhet, både i Norge og i resten av Europa, krever at kraftverkene er i stand til å respondere på en rask og pålitelig måte til svingninger i energiproduksjon. Dette skyldes hovedsakelig den intrinsiske uforutsigbarheten knyttet den økende andelen av vind og sol ressurser, samt en sjeldent men ikke helt usannsynlig periodevis reduksjon i tilsig med følgende svikt i produksjon fra vannkraft. Derfor, fremtidige kraftverk vil måtte yte en uhemmet evne til å anvende det drivstoffet som er tilgjengelig når behovet for «on-demand» storskala kraftproduksjon oppstår.
Avanserte lav-NOx-brennere (state-of-the-art) 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 og/eller ammoniakk. Problemet ligger hovedsakelig i utfordringer knyttet til flammestabilitet ved bruk av brensler med høy (hydrogen) eller lav reaktivitet (ammoniakk). Dette teknologigapet ønsker prosjektet å lukke for å muliggjøre scenarioer for industriell anvendelse av gassturbiner med nullutslipp av CO₂.

Mål
BIGH2/Fase IV skal utvikle, teste og demonstrere sikker, effektiv og ren forbrenning (lav-NOx) av hydrogen og ammoniakk som karbonfrie energibærere i et avansert og toppmoderne gassturbinforbrenningssystem samt upåvirket evne til å brenne, rent og effektivt, naturgass som «backup» brensel i det samme forbrenningssystemet. Dette vil kreve en radikal re-design av gassturbinens forbrenningssystem for å muliggjøre aksial drivstoffinnsprøyting i to forbrenningstrinn som representerer nøkkelen for å oppnå den ønsket fleksibilitet i forhold til vidt forskjellige drivstoff (hydrogen, ammoniakk og naturgass). Utgangspunktet for dette forskningsarbeidet er Siemens Distributed Combustion System (DCS) som er under utvikling for hydrogenfyring av større «heavy-duty» gassturbiner (H-klasse) men som vil trenge større modifikasjoner for å kunne fungere optimalt ved fyring av gassturbinen med hydrogen, ammoniakk eller naturgass (ved behov).
Aktiviteter
Prosjektet skal øke teknologisk modenhet for brennere som er testet og verifisert i laboratorieskala (TRL4). Dette omfatter fullskala demonstrasjon for en enkel brenner i relevante omgivelser innrettet mot industriell bruk i en Siemens SGT750 industriell gassturbin for ren kraftproduksjon både offshore og on-shore (TRL6).
Hovedprosjektet er organisert i 3 Delprosjekter (SP1, SP2 og SP3). Delprosjekt 1 (SP1) fokuserer på numerisk modellering av forbrenningssystemet mens i delprosjekt 2 (SP2) undersøkes forbrenningssystemet i laboratorieskala, ved atmosfærisk og høyt trykk, for ren og effektiv fyring av anlegget med hydrogen, ammoniakk eller naturgass. Tett integrasjon av SP1 og SP2 aktivitetene er kritisk viktig: på den ene siden vil numeriske simuleringer bidra med viktige trender som reduserer kostnadene knyttet til eksperimentene (færre kostbare kjøringer kreves i utviklingsløpet), på den andre siden vil de eksperimentelle målingene representere det nødvendige valideringsgrunnlaget for de numeriske modellene. Til slutt, delprosjekt 3 (SP3) vil bestå av selve demonstrasjonen for teknologien gjennomført av Siemens vha en fullskala versjon av SGT750 brennkammer.

Resultater
De første resultatene vil bestå av data fra detaljerte numeriske simuleringer og lab-skala eksperimenter av gassturbinens forbrenningssystem. Disse initiale resultatene vil bli brukt til å forbedre designet av brenneren, noe som vil skje i flere omløp. Fra starten av prosjektet vil fokus være på første forbrenningsstadiet som skal kunne handtere ren og effektiv forbrenning av ammoniakk. Senere vil forskningsaktivitetene skifte fokus til andre forbrenningsstadiet og stabiliseringen av en forblandet hydrogenflamme.

Publikasjoner
Prosjektet planlegge å publisere resultatene i vitenskapelige tidsskrifter og presentere disse på relevante faglige konferanser (International Combustion Symposium) og industrimøter (ASME TurboEXPO).