Towards clean and stable hydrogen reheat combustion in gas turbines

Klimaendringer er en av de største utfordringene for samfunnet vårt. Dette prosjektet bidrar til redusert utslipp av drivhusgasser ved å benytte forbrenning av hydrogen for kraftproduksjon. Gassturbiner brukt til kraftproduksjon har tradisjonelt brukt naturgass som drivstoff. Samspillet mellom fornybare energikilder som vind- og solkraft krever mellomlagring av overskuddsenergi. Hydrogen er en energibærer som er godt egnet til dette formålet, samtidig som karboninnholdet i naturgass kan bli fjernet for å produsere hydrogen. Hydrogen kan i likhet med naturgass bli benyttet i forbrenningsmaskineri for å utvinne elektrisk eller mekanisk energi. Dette er energi som benyttes i hushold, industri, og transport. Den største fordelen ved forbrenning av hydrogen er at det eneste avfallsstoffet er vanndamp, noe som bidrar til reduserte klimautslipp. På en annen side brenner hydrogen mye raskere enn naturgass og man kan derfor ikke enkelt bare bytte drivstoff i tekniske applikasjoner. Dette er spesielt et problem med tanke på resonanskarakteristikk knyttet gassturbin forbrenning, hvor det kan oppstå et fenomen kalt termo-akustisk ustabilitet. Dette er i likhet med den ukomfortable lyden som oppstår når en mikrofon holdes fremfor høyttaleren, feedback mellom lydkilde (flammen/mikrofonen), og akustikken i rommet/forbrenningskammeret. I en gassturbin kan dette føre til total ødeleggelse av motoren. I dette prosjektet bruker vi supercomputere og state-of-the-art eksperiment for å øke forståelsen av dette fenomenet i hydrogendrevene gassturbiner benyttet til kraftproduksjon. På denne måten vil vi bli i stand til å forutse og potensielt unngå denne problematikken i fremtiden. Dette vil føre til at vi reduserer karbonavtrykket ved å produsere kraft ved bruk av hydrogenforbrenning. I den innledende fasen av prosjektet har den eksperimentelle og numeriske kapabiliteten blitt etablert. Dette gjør det mulig å studere stabilitets-fenomener som involverer spesielle typer av hydrogenflammer godt egnet for karbonfri energiproduksjon. Videre har vi utviklet matematiske modeller som beskriver viktige aspekter ved flammens oppførsel, og vi kan vise til at modellene stemmer veldig godt med detaljerte numeriske beregninger. Vi har utvidet modellene både eksperimentelt og numerisk, slik at de nå dekker et bredere tilstandsrom, og utviklet et effektivt rammeverk for å forutsi stabiliteten til ettervarmende hydrogenflammer i forenklede konfigurasjoner. En eksperimentell plattform har blitt utviklet som gir grundig tilgang til denne typen flammer, samt deres respons til ulik inndata. Det neste steget er å anskaffe en bred eksperimentell database som vil brukes til å validere og raffinere de numeriske og teoretiske modellene.

The contribution from renewable energy sources (RES) is steadily increasing, and integration into the electric grid becomes challenging in view of the non-dispatchable parts (wind and sun). This motivates power-to-H2-to-power schemes - excess energy is stored as hydrogen that can later be used to produce power when the demand is high or the RES yield is low. At the same time, decarbonization of power generation from fossil fuels is highly desirable. In principle, this can be achieved through hydrogen production from natural gas with CCS. Both aspects, power-to-H2-to-power schemes utilizing 'green' hydrogen and low- to zero-emission power generation from 'fossil' hydrogen, require technology for clean, efficient and flexible combustion of hydrogen in gas turbines. However, presently available combustor technology is not capable of burning undiluted hydrogen because of its high reactivity. The most promising candidate is a reheat combustor architecture, but static and dynamic flame stability are severe challenges. Fundamental understanding and predictive modeling capabilities for unsteady phenomena in hydrogen-fueled reheat combustors are required to enable development and commercialization of this technology. The objective of the Reheat2H2 project therefore is to provide physical insight and quantitative models for hydrogen reheat flame dynamics that will enable large-scale end-use of hydrogen for clean power generation. To this end, we propose a combined approach, utilizing state-of-the-art high-performance computing and unique experimental facilities, both strongly linked to theoretical analysis and modeling activities. The project findings will pave the way for developing clean and efficient utilization of fossil and green hydrogen as gas turbine fuel. This will promote further increase of RES linked to power-to-H2-to-power schemes, and enable decarbonized power generation from fossil fuel with CCS.