Energia

DOE investirá $ 6,4 milhões para desenvolver turbinas movidas a hidrogênio

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O Escritório de Energia Fóssil (FE) do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) anunciou US $ 6,4 milhões em financiamento federal para projetos de pesquisa e desenvolvimento de custos compartilhados sob o anúncio de oportunidade de financiamento (FOA) FE-FOA 0002397, University Turbines Systems Research (UTSR) – Foco em Combustíveis de Hidrogênio.

O Programa UTSR realiza pesquisas para aumentar a eficiência e o desempenho das turbinas a gás enquanto reduz as emissões. Há um interesse renovado no uso de hidrogênio, um combustível de queima limpa, para geração de eletricidade por turbina.

A produção de hidrogênio a partir de combustíveis fósseis, juntamente com a captura, utilização e armazenamento de carbono, pode gerar hidrogênio de baixo custo com emissões líquidas de carbono negativas. Resíduos de plásticos podem ser adicionados à mistura de combustível para produzir grandes quantidades de hidrogênio e mitigar o impacto dos plásticos no meio ambiente.

Este FOA se concentra em pesquisa fundamental e aplicada para permitir o uso de hidrogênio como combustível de turbina a gás. Projetos selecionados apoiarão P&D em universidades para resolver desafios científicos fundamentais e questões de engenharia aplicada de turbinas de combustão alimentadas com hidrogênio puro, misturas de hidrogênio e gás natural e outros combustíveis contendo hidrogênio sem carbono. Os projetos irão estudar questões de combustão em aplicações de ciclo combinado e simples.

O Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia (NETL) administrará os projetos. O FOA buscará financiar P&D em escala de laboratório / bancada em três áreas de interesse (AOIs):

AOI 1: Fundamentos de Combustão de Hidrogênio para Turbinas a Gás. A pesquisa realizada neste AOI irá estudar os fenômenos fundamentais de combustão de combustíveis contendo hidrogênio, em uma ampla gama de composições de combustível e condições de combustão.

Os assuntos de P&D de interesse para AOI 1 incluem:

Avaliação da energia de ignição e tempos de atraso;

Avaliação das características de autoignição;

Avaliação das velocidades laminar e turbulenta da chama;

Avaliação das taxas de deformação de extinção;

Coleta de dados cinéticos de reações químicas e desenvolvimento de mecanismos de reação;

Avaliação da formação de poluentes (óxidos de nitrogênio (NOx), CO e material particulado) e vias de formação, incluindo o impacto da amônia e diluentes na formação de poluentes;

Desenvolvimento de modelos de dinâmica de fluidos computacional (CFD), modelos de reação computacional e outras ferramentas de design para apoiar experimentos de combustão de combustível contendo hidrogênio aplicado; e Avaliação das características de mistura do combustível.

AOI 2: Aplicações de Combustão de Hidrogênio para Turbinas a Gás. O objetivo deste AOI é estudar fenômenos de combustão de combustível contendo hidrogênio sob várias condições de turbina a gás. A pesquisa poderia ser usada para projetar combustores de turbina a gás estáveis, de alta temperatura e baixa emissão para combustíveis contendo hidrogênio.

No AOI 2, o assunto de P&D de interesse é a avaliação e mapeamento de fenômenos de combustão de combustível contendo hidrogênio em uma gama de condições relevantes de turbinas a gás e características físicas, com o objetivo de que o entendimento aplicado apoie o projeto de alta temperatura e hidrogênio estável sistemas de combustão de turbina a gás com baixas emissões de NOx. Assim, os aplicativos devem considerar o seguinte:

Os combustíveis de interesse incluem hidrogênio 100%, combustíveis que transportam hidrogênio sem carbono (ou seja, amônia) e misturas desses combustíveis entre si e, conforme apropriado, com gás natural. As aplicações devem especificar essas misturas para estender e completar, quando necessário, o conjunto de dados de mistura de hidrogênio-gás natural conhecido para as condições relevantes da turbina a gás. As misturas percentuais por volume de hidrogênio e gás natural sugeridas para estudo devem apoiar, mas não se limitar a, prováveis ​​cenários de implantação de turbinas a gás com combustíveis de hidrogênio.

A avaliação da combustão de combustíveis contendo hidrogênio deve considerar as condições de teste e características físicas (injetores, interações de injetores, queimadores, turbilhões, corpos escarpados, palhetas, etc.) representativas dos projetos de combustores existentes, projetos de novos combustores e aplicações de retrofit. Abordagens exclusivas e inovadoras para recursos desenvolvidos especificamente, possibilitados por meio da fabricação avançada para atingir o objetivo da AOI 2, são incentivadas.

Diluentes disponíveis para ciclos de Brayton com respiração de ar e combustão aberta em aplicações de ciclo simples e combinado devem ser usados ​​em testes, e o impacto dos diluentes deve ser avaliado. O nitrogênio pode ser usado como diluente ao avaliar amônia ou misturas de amônia como combustível. O nitrogênio pode ser usado para avaliar os fenômenos de combustão; no entanto, o nitrogênio não é considerado um diluente que está prontamente disponível na maioria das aplicações de ciclo combinado e simples para AOI 2.

Vários fenômenos de chama de turbina a gás movida a hidrogênio de interesse incluem explosão pobre, limite de extinção de chama, limites de inflamabilidade, instabilidade de combustão, retorno de chama, retenção de chama, velocidade de chama, pontos quentes, etc.

Avaliação de pré-mistura de hidrogênio combustível a ar e preparação de hidrogênio combustível, particularmente para controle de NOx sob condições e geometrias relevantes.

Quando pertinente, avalie as condições relevantes para a faixa de redução, dinâmica e transientes de acompanhamento de carga.

AOI 3: Motores de detonação rotativos de hidrogênio-ar. Este AOI visa substituir o processo de deflagração de combustão existente por detonação, utilizando motores de detonação rotativos (RDEs) para aumentar a pressão total na saída do combustor e aumentar a eficiência termodinâmica.

AOI 3 tem duas áreas de foco principais relacionadas à combustão RDE e integração final com turbomáquinas para fins de geração de energia com base terrestre enquanto opera em uma ampla gama de combustíveis à base de hidrogênio para incluir hidrogênio puro e misturas de hidrogênio / gás natural no ar. Os aplicativos no AOI 3 devem abordar essas duas áreas de foco.

O primeiro foco é abordar fundamentalmente, por meio de uma combinação de estudos experimentais e computacionais, a influência de vários mecanismos de perda (como combustão secundária por deflagração ou ondas de choque não detonativas) e modo / número de onda na saída de trabalho potencial de um RDE – sistema de turbina. O teste deve considerar operações RDE alimentadas com hidrogênio (ou mistura de hidrogênio / gás natural) em uma ampla faixa de taxas de fluxo de massa, pressões e temperaturas (combustor de pré-detonação) relevantes para a classe F e motores de turbina a gás aeroderivada. Projetos bem-sucedidos também devem considerar o modo de onda ideal e as configurações de número de onda para maximizar o potencial de trabalho útil em um sistema de turbina RDE.

O segundo foco considerará a integração de RDE’s / RDC’s com turbomaquinas. Para aplicações de geração de energia terrestre de curto prazo, dispositivos de combustão de ganho de pressão serão necessários para se integrar de forma eficiente com turbomaquinas a montante e a jusante. Até o momento, existem poucos estudos que consideraram o impacto da integração além da análise do ciclo.

Em um esforço no Laboratório de Pesquisa da Força Aérea que foi financiado conjuntamente pelo NETL, um Combustor de Detonação Rotativo operando com H2-ar foi acoplado à turbina de um motor T63. Embora este estudo sugerisse que grande parte da natureza instável do fluxo poderia ser amortecida, a integração não foi otimizada para um sistema de turbina RDE. É necessária uma demonstração bem-sucedida de um sistema integrado RDE-turbina para identificar potenciais lacunas de conhecimento. Os aplicativos bem-sucedidos serão construídos sobre a base de conhecimento existente para demonstrar (experimentalmente ou por meio de uma combinação de estudo experimental e computacional) a capacidade de fazer a transição do fluxo instável de alta velocidade da saída RDE para uma turbina a jusante.

No AOI 3, os assuntos de interesse de P&D incluem:

Avaliação do impacto da deflagração simultânea em RDEs de hidrogênio-ar (ou combustíveis com mistura de hidrogênio) para produzir trabalho útil quando integrado em um sistema de turbina a gás.

Avaliação do modo de onda e número de onda de hidrogênio-ar (ou combustíveis com mistura de hidrogênio) RDE’s / RDC’s potencial para produzir trabalho útil quando integrado em um sistema de turbina a gás.

Desenvolvimento de estudos computacionais de apoio à integração de RDE’s e sistemas de turbinas a gás operando com combustíveis contendo hidrogênio e ar.

Demonstração de acoplamento de RDE / RDC com elementos de transição de fluxo (ou seja, difusor) e turbina.

Demonstração da metodologia para quantificar o impacto do RDE, elemento (s) de transição e turbina no desempenho do componente individual e capacidade de produzir trabalho útil em um sistema de turbina a gás.

Metodologia sugerida para dimensionar estudos experimentais e computacionais em escala de laboratório para sistemas integrados de turbina a gás RDE-classe F e classe aeroderivada.

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