Hirdrogenul, posibil combustibil pentru turbomotoarele cu aplicație industrială

În încercarea de a găsi combustibili mai eficienți si mai puțin poluanți, se caută dezvoltarea unei noi tehnologii pentru arderea hidrogenului împreună cu gazele naturale în camerele de ardere ale turbomotoarelor cu aplicație industrială.

Peisajul energetic la nivel mondial se confruntă cu schimbări majore cauzate de evoluția economică actuală. Având în vedere și resursele limitate și cerințele tot mai stricte din punct de vedere al protejării mediului înconjurător, se conturează din ce în ce mai mult, în ultima perioadă, nevoia găsirii de combustibili alternativi, mai ieftini, prin folosirea cărora să rezulte compuși mai puțin dăunători mediului și, eventual, să îmbunătățească performanțele proceselor de ardere actuale.

Implicațiile economice ale dependenței mondiale de combustibilii fosili sunt majore. În anul 2010, importurile au reprezentat 52,7% din consumul de combustibili fosili la nivelul Europei. Se așteaptă ca această cifră să ajungă la 65%, până în 2030. În următorii ani, costurile în creștere la combustibili și competiția pentru asigurarea lor din țările în curs de dezvoltare nu va face decât să accelereze acest transfer. Date fiind efectele crizei economice globale, acest transfer va fi greu de suportat la nivelul întregii lumi.

Impactul de mediu al consumului de combustibili fosili este la fel de îngrijorător. Conform hărții climatologice elaborate de Comisia Europeană, în 2009, arderea combustibililor fosili a determinat formarea a 74,6% din emisiile de gaze de seră. Toate marile economii vor fi nevoite să facă reduceri semnificative ale emisiilor pentru a se putea menține încălzirea globală sub o creștere de 2°C a temperaturii globale medii, comparată cu cea a perioadei preindustriale.

Soluții simple pentru reducerea emisiilor de CO₂ includ eficientizarea conversiei energiei sau trecerea la folosirea de combustibili neutri din punct de vedere al carbonului, prin utilizarea energiilor regenerabile. Viabilitatea economică a surselor regenerabile constituie un factor esențial al succesului în dezvoltarea acestora. Aceste alternative, cum ar fi cea eoliană, solară sau geotermală, determină un nou set de probleme ce vizează stocarea energiei.

În această privință, majoritatea surselor energetice regenerabile produc energie electrică indiferent de consumul de curent pe rețea, iar acest surplus trebuie stocat pentru a se putea menține exploatarea la capacitate maximă a sursei energetice în perioadele de consum redus. În lipsa unei infrastructuri care să capteze, să stocheze și apoi să furnizeze electricitatea produsă în perioadele de cerere redusă, generarea de energie, bazată pe surse regenerabile, nu își va putea atinge pe deplin potențialul, rămânând o soluție cu eficiență economică scăzută.

Adăugarea hidrogenului în amestecul de gaze naturale este considerată, la nivel mondial, o posibilă soluție pentru creșterea eficienței economice în producerea energiei din surse regenerabile. Astfel, excesul de energie electrică obținut din surse regenerabile în perioadele de consum redus poate fi utilizat pentru a se obține hidrogen, iar acesta din urmă poate fi introdus în rețeaua de conducte de gaz deja existente.

În acest mod, se va soluționa ușor problema legată de utilizarea pe scară largă a hidrogenului drept combustibil, și anume transportarea sa prin folosirea actualei infrastructuri de gaze naturale. În urma acestui proces va rezulta un nou tip de combustibil gazos format din gaze naturale și hidrogen, care va alimenta aplicațiile industriale, poate chiar și utilizatorii obișnuiți. Însă îmbogățirea cu hidrogen a gazului natural modifică în mod semnificativ caracteristicile flăcării pe care acesta o alimentează, iar efectele acesteia, în ceea ce privește atât eficiența arderii, cât și stabilitatea flăcării, necesită o evaluare atentă.

În urma studiilor efectuate până în prezent, a rezultat că arderea acestui amestec de hidrogen-gaze naturale în turbomotoarele deja existente, fără nicio modificare adusă sistemului de ardere, ar fi posibilă numai cu adăugarea unui procent mic de hidrogen (volumic 5-10%), deoarece hidrogenul și gazele naturale au proprietăți fizice și chimice diferite și, cu cât procentul de hidrogen este mai mare, cu atât se schimbă mai mult caracteristicile arderii.

Se impune, astfel, nevoia adoptării unor noi soluții. O aplicație energetică de interes în acest sens este utilizarea industrială a turbomotoarelor cu gaze, pentru producerea de energie electrică și termică.

Cercetări privind arderea hidrogenului ca sursă de energie pentru turbomotoare

Cercetătorii români din cadrul laboratorului de combustie al INCDT COMOTI, din București, studiază efectele adăugării de hidrogen în gazul natural folosit drept combustibil în camerele de ardere ale turbomotoarelor cu aplicație industrială, în cadrul unui parteneriat la nivel național, finanțat de către Ministerul Educației și Cercetării prin Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior a Cercetării, Dezvoltării și Inovării (UEFISCDI).

Plecând de la cercetările realizate până în prezent la nivel mondial, se dorește continuarea și dezvoltarea studiilor în această direcție, prin încercarea simulării numerice a proceselor ce au loc în arderea amestecului de hidrogen – gaze naturale și prin experimentări. Rezultatele astfel obținute vor încerca sa tragă niște concluzii care să ajute și să completeze cercetările în acest domeniu.

Modelarea arderii în curgerile reactive turbulente necesită o atenție deosebită deoarece aceasta joacă un rol esențial în acuratețea simulării numerice, în special în cazul studierii dinamicii arderii. De aceea, o aprofundare a procesului de ardere care se desfășoară într-o cameră de ardere ar necesita, mai întâi, înțelegerea interacțiunii și a interdependenței dintre ardere și turbulență.

Conform unui pionier în acest domeniu, Norbert Peters, „Înțelegerea interacțiunii între ardere și turbulență este cea mai semnificativă problemă nerezolvată din domeniul fizicii clasice”.

În urma simulărilor numerice realizate de cercetători, s-a constatat că, pe măsură ce se adaugă hidrogenul în compoziția combustibilului, în amestec cu gaz natural, se poate trage concluzia că apare o creștere clară a temperaturilor, iar frontul flăcării se deplasează mai aproape de injector și de pereții camerei de ardere. Rezultate ce vin să întărească datele existente în literatura de specialitate. Acest fapt poate duce la distrugerea elementelor camerei de ardere și a instalației.

Nu în ultimul rând, creșterea semnificativă a temperaturilor de ardere odată cu creșterea procentului de H₂ conduce la creșterea cantităților de poluanți, în special de noxe, rezultate prin disocierea termică. Așadar, se impune căutarea unor variante alternative care implică schimbarea injectorului și parțial a geometriei camerei de ardere. De asemenea, sunt necesare experimentări care să valideze rezultatele simulate numeric. Apoi, prin modificările aduse camerei de ardere și cu noul injector, se vor realiza noi experimentări, folosind tehnici de monitorizare, vizualizare și măsurare laser de ultimă generație.

Toate acestea vor avea loc în continuare în cadrul proiectului, cercetătorii de la COMOTI deschizând un drum puțin bătut în acest domeniu, în încercarea de a trage niște concluzii care să folosească la viitoare aplicații industriale, mai eficiente și mai puțin poluante.

Despre INCDT COMOTI

Înființat în 1985, Institutul National de Cercetare Dezvoltare Turbomotoare COMOTI (din 1996), din București, este singura instituție din România specializată în dezvoltarea și integrarea cercetării științifice, a proiectării constructive și tehnologice, a producției, experimentării, testării, transferului tehnologic și inovării în domeniul turbomotoarelor de aviație și industriale și a mașinilor paletate de turație mare.

COMOTI desfășoară o amplă activitate în domeniul turbomotoarelor de aviație, al proiectării asistate de calculator și al fabricației, al calculelor structurale și de dinamica fluidelor și al achiziției de date. Experiența acumulată în domeniul mașinilor cu palete de turație mare a permis dezvoltarea, în concepție proprie, a unei serii de compresoare centrifugale și suflante antrenate electric, pentru aer sau gaze naturale, cu debite și presiuni diferite, ceea ce face ca Institutul COMOTI să fie singurul producător al unor astfel de echipamente complexe, pe plan național.

Pe plan internațional, expertiza profesională și instituțională a COMOTI în domeniul turbomotoarelor și a mașinilor paletate de turație mare a fost recunoscută prin câștigarea unui număr important de medalii și diplome la expozițiile internaționale de la Geneva și Bruxelles. COMOTI deține peste 30 de brevete de invenție în domeniul turbomotoarelor. Institutul are un personal de peste 200 de persoane, peste 50% fiind absolvenți de învățământ superior, iar 20 de angajați dețin titlul de doctor.