Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Hydrogen Use in CO2 Capture Technologies

Alternativ tittel: Hydrogen i CO2-fangstteknologier

Tildelt: kr 9,5 mill.

Gjennom internasjonalt samarbeid med verdensledende forskningsinstitutter i USA er det i HYCAP-prosjektet utført fundamentale studier med direkte relevans for utviklingen av neste-generasjons teknologier for karbonfangst og lagring. HYCAP fokuserer spesielt på effektiv og pålitelig stor-skala bruk av hydrogen til kraftproduksjon. Forskningssamarbeidet i HYCAP har foregått mellom UC Berkeley og Sandia National Laboratories på amerikansk side og SINTEF/NTNU på norsk side. Stor-skala energiutnyttelse av hydrogen er en viktig del av strategier for CO2-fangst gjennom avkarbonisering av fossilt brensel før forbrenning. Ved før-forbrenningskonseptet (pre-combustion capture) blir karbonet fjernet fra det fossile brenselet (naturgass eller kull) før forbrenning, og den gjenværende hydrogenrike gassen brukes til kraftproduksjon. Et viktig mål for prosjektet har vært å utvikle et avansert numerisk designverktøy for anvendelse på konfigurasjoner med betydning for utviklingen av hydrogendrevne gassturbiner for kraftproduksjon. Hydrogen har andre termofysiske egenskaper enn naturgass og utfordringer knyttet til selvantenning, flammestabilisering og flashback må løses for å utvikle nye gassturbiner for hydrogenrike brensler. Design av nye brennkammer for gassturbiner er påkrevd for å sikre sikker, effektiv og pålitelig omdanning av hydrogen, samtidig som miljøhensyn som for eksempel lave utslipp av NOx oppfylles. Sentralt i prosjektet har vært utdanning av en NTNU PhD-student, som i en periode hadde et gjesteopphold ved UC Berkeley. PhD-studenten ble opptatt ved NTNU høsten 2015 og tilbrakte studieåret 2016-17 ved Department of Mechanical Engineering, UC Berkeley. Doktordisputasen for PhD-studenten er planlagt til desember 2018, eventuelt med utsettelse til februar 2019 av praktiske årsaker. En NTNU MSc student har også bidratt i prosjektet gjennom sin masteroppgave basert på numeriske simuleringer av en hydrogenrik strømning. Det numeriske simuleringsverktøyet har i prosjektet blitt utviklet til å kunne gjøre beregninger på hydrogenflammer og turbulente strømninger mer generelt, og har vært anvendt på utfordrende konfigurasjoner med relevans for hydrogendrevne gassturbiner. Simuleringskoden er også blitt parallellisert for prosessering på større regneklynger, dvs. sammenkoblede datamaskiner som jobber sammen. Slike parallellberegninger er en viktig del av detaljerte simuleringer av forbrenningsprosesser. For at beregningene skal gi en så presis representasjon som mulig av forbrenningen er det nødvendig å løse opp de aller minste skalaene i de turbulente reaktive strømningene, noe som krever svært stor datakraft. Det numeriske verktøyet utviklet i HYCAP er bygd på en innovativ modell og algoritme der effektivt kjøretid er kraftig redusert sammenlignet med andre koder som gir tilsvarende gjengivelse. HYCAP-prosjektet har i korthet bidratt til fundamental kunnskap og et avansert numerisk simuleringsverktøy for hydrogenforbrenning som har potensial til å være viktig for å muliggjøre før-forbrenningsteknologien for CO2 fangst.

Predictive modeling of mixing and reaction in turbulent flow environments would accelerate the development of next-generation carbon capture technologies. The quest for such capability at the needed scale and level of detail confronts the fundamental scie ntific challenge of developing a reduced physical/mathematical representation of turbulence and its interactions with chemical reactions and related sub-processes. Without such a reduced description, the needed fidelity is available only from Direct Numer ical Simulation (DNS), i.e., numerical solution of the exact equation set. DNS is computationally affordable only at scales much smaller than needed, but is useful, e.g., for validation of reduced models, and such use is part of the research proposed here . An ongoing collaborative effort by SINTEF and international partners has established a promising pathway to attaining the needed capability. Conceptual innovations addressing this need have led to the RANS-LEM3D approach for modeling mixing and chemical reactions in turbulence. Initial application of this approach to combustion technology development is being pursued through the ongoing CAMPS project. Complementary to CAMPS, the effort proposed here will use RANS-LEM3D and the underlying LEM method to a ddress technological challenges associated with the combustion of hydrogen within pre-combustion CO2 capture concepts. The challenges are linked to the particular thermo-physical properties of hydrogen compared to conventional hydrocarbons, leading to dra matically different combustion behavior, e.g. with regard to auto-ignition, flame stabilization, flashback, and NOx production. The research proposed here will focus on (1) the interaction between hydrogen combustion phenomenology and membranes used for h ydrogen separation, and (2) hydrogen jets and jet flames in cross-flow, for which DNS predicts significant counter-gradient diffusion effects with potential impacts on the noted technological challenges.

Aktivitet:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering