Peisajul energetic la nivel mondial se confruntă cu schimbări majore cauzate de evoluția economică actuală. Există o presiune la nivel mondial pentru a asigura mai mult gaz și petrol, în sprijinul nevoilor energetice la nivel global. Ținând cont de resursele limitate de combustibili şi de atenția crescută asupra protecției mediului, devine clară căutarea unui combustibil cu eficientă mai mare şi cu emisii poluante mai mici, pentru asigurarea securității resurselor de combustibili. Soluții simple pentru reducerea emisiilor de CO2 includ eficientizarea conversiei energiei, sau trecerea la folosirea de combustibili neutri din punct de vedere al carbonului. Energia eoliana este cea mai folosită sursă de energie regenerabilă, producând 49% din energia electrică obținută din resurse regenerabile non-hidroelectrice în Europa in 2010. Energia solară contribuie cu încă 7%. Însă o barieră economică în utilizarea energiei eoliene și solare este imposibilitatea de a utiliza excesul de energie din aceste sisteme, dacă acesta nu este necesar imediat. Fără o infrastructură capabilă să capteze, să stocheze şi să recupereze excesul de energie electrică produsă în perioadele cu cerere mică, producția de energie electrică eoliană şi solară nu poate atinge potențialul maxim.
Transformarea surplusului de energie în gaz (hidrogen) „Power to Gas” este o opțiune atractivă, în care infrastructura existentă poate fi folosită, în acest sens facându-se la ora actuală cercetări intense pe plan mondial. Astfel, excesul de energie electrică obţinută din surse regenerabile în perioadele de consum redus poate fi utilizat pentru a se obţine hidrogen, care poate fi introdus în conductele de gaz deja existente. În acest mod, se soluţionează uşor problema legată de utilizarea pe scară largă a hidrogenului drept combustibil, respectiv transportarea sa, prin folosirea actualei infrastructuri de gaze naturale.
Îmbogăţirea cu hidrogen a gazului natural modifică însă în mod semnificativ caracteristicile flăcării, cu efecte ce influentează atât eficienţa cât şi stabilitatea arderii. Asadar este necesară o evaluare atentă, premergătoare abordării conceptului propus, iar pentru realizare trebuie pusă la punct o noua tehnologie. Acest proiect se concentrează pe rolul jucat de turbomotoare în acest mediu în continua schimbare şi pe crearea premizelor si posibilităților de funcționare în acest sistem.
Studiile numerice şi analitice rezultate din acest proiect vor fi folosite pentru a dezvolta şi implementa o noua tehnologie şi un model experimental de cameră de ardere, care va fi ulterior montată pe un turbomotor dezvoltat de COMOTI (CO). Prin aplicarea noii tehnologii ce implică arderea de amestecuri gaz natural/hidrogen în turbomotoare şi prin utilizarea modelului experimental de cameră de ardere, se pun bazele intrării pe o noua piață, care se va dezvolta în Europa şi în lume, cu interes atât pentru COMOTI (CO) cât şi pentru UNISON (P2), care este parte a General Electric si este singurul producător de camere de ardere din România şi Europa de est.
Se va pune la dispoziţia comunităţii științifice naţionale şi internaţionale o bază de date de validare cu rezultate numerice şi experimentale, asupra unei flăcări turbulente alimentate cu gaz natural îmbogăţit cu hidrogen, pentru a spori atractivitatea unor viitoare demersuri în acest domeniu de cercetare.
De asemenea, consorțiul va face o evaluare de mediu asupra tehnologiilor cu emisii reduse de carbon pentru organismele de reglementare implicate.
Obiectivul prezentei propuneri
este de a dezvolta o noua tehnologie pentru arderea cu excese mari
de aer a gazelor naturale îmbogățite cu hidrogen și un model
experimental pentru o cameră de ardere (combustor) din componența
unui turbomotor cu gaze, și, parțial pentru un arzător industrial,
(ținând cont de similitudinea dintre acesta și zona primară a
camerei de ardere, la presiune joasă).
Temperatura de intrare intr-o
astfel de cameră de ardere este foarte mare, și reacția dintre
combustibil și oxidant se inițiază prin auto-aprindere, astfel
timpul de întârziere se reduce semnificativ în cazul combustibililor
bogați în hidrogen comparativ cu cel în cazul gazelor naturale.
Astfel timpul de rezidență disponibil pentru preamestecare în
combustor este redus. Noul concept va fi optimizat pentru a permite
amestecarea cât mai rapidă a combustibilului cu oxidantul, pentru a
avea o limită de retur mare și pentru a limita pierderea de
presiune. Randamentul arzătorului / camerei de ardere va fi
determinat inițial pornind de la proprietățile gazo-dinamice și apoi
pe baza caracteristicilor de ardere.
Ultimele se bazează pe teste la scară și condiții reale.
Combustibilul bogat în hidrogen avut în vedere va fi utilizat
într-un combustor, fără a influența negativ randamentul
turbomotorului și având caracteristici de poluare reduse.
Peisajul energetic la nivel
mondial se confruntă cu schimbări majore cauzate de evoluția
economică actuală. Există o presiune la nivel mondial pentru a
asigura și pune la dispoziție mai mult gaz și petrol pentru a
sprijini nevoile energetice la nivel global. Ținând cont de
resursele limitate de combustibili și de atenția din ce în ce mai
crescută asupra protecției mediului, căutarea unui combustibil cu
eficiență mai mare și cu emisii poluante mai mici, în contextul
asigurării securității resurselor de combustibili, este clară. În
același timp, țările vor continua sa caute resurse natural
disponibile, cum ar fi combustibili gazoși și cărbuni, pentru a
crește stabilitatea și securitatea energetică.
Soluții simple pentru reducerea
emisiilor de CO2 includ eficientizarea conversiei
energiei sau trecerea la folosirea de combustibili neutri din punct
de vedere al carbonului.
Nu în ultimul rând, aceste
presiuni impulsionează multe industrii, precum și rafinăriile, să
examineze potențialul gazelor de proces (bogate în hidrogen) ca
modalitate de a menține sau de a reduce cheltuielile de exploatare a
energiei pentru ei înșiși și pentru producătorii regionali de
energie.
Viabilitatea economică este un
factor-cheie în dezvoltarea cu succes a surselor regenerabile de
energie. Energia eoliană este cea mai folosita sursă de energie
regenerabilă, producând 49% din energia electrică obținută din
resurse regenerabile non-hidroelectrice în Europa în 2010. Energia
solară a contribuit cu încă 7%. Un factor cheie care limitează
viabilitatea economică a energiei solare și eoliene este
incapacitatea de a utiliza excesul de energie din aceste sisteme,
dacă acesta nu este necesară imediat. Fără o infrastructură capabilă
să capteze, să stocheze și să recupereze excesul de energie
electrica produsă în perioadele cu cerere mică, producția de energie
electrica eoliana și solara nu va atinge potențialul maxim in
Europa.
Probleme legate de utilizarea
hidrogenului:
·
Cererea scăzută de electricitate în apropierea parcurilor eoliene;
·
Lipsa liniilor electrice de mare capacitate;
·
Posibilități limitate de stocare a cantităților mari de electricitate
(GWh).
Soluții (I)
·
Reducerea temporară a producției de energie din surse regenerabile;
·
Risipa exagerată
de capital și reducerea potențialului de reducere a CO2;
·
construcția de linii electrice de mare capacitate
·
costisitor, consumator de timp, rezistență a autorităților
locale.
Soluții (II)
·
construcția de noi sisteme de stocare directă de capacitate mare.
Situația actuală: durata mare pentru construcție din cauza
rezistenței locale, lipsa de formațiuni geologice adecvate
·
construcția de sisteme de stocare indirecte
Soluții (III) agreate în acest
proiect
·
Transformarea surplusului de energie în gaz (Power to Gas - P2G):
(Klaus Altfeld, E.ON Ruhrgas AG; October 2011The natural gas system: A key element in surplus electricity management and load balancing)
Alte surse de obținere de
hidrogen pot fi: gazeificarea biomasei; gas natural sintetic: CO, CO2,
H2.
În concluzie:
Stocarea electricității este un subiect cheie în ceea ce privește o
sursă de energie cu emisii de carbon scăzute. Concurența dintre
diferitele soluții tehnice este binevenită și poate duce la noi
descoperiri, dar „Power to
Gas” este o opțiune atractivă (infrastructura existentă poate fi
folosită).
Acest proiect se concentrează pe rolul care îl joaca
turbomotoarele în acest mediu în continua schimbare. Este necesară o
mai mare flexibilitate în ceea ce privește posibilitatea de
funcționare folosind o gamă mai largă de combustibili, în special
amestecuri gaz natural / hidrogen, lucru crucial pentru dezvoltarea
noii generații de centrale electrice cu turbomotoare.
Exista un număr mare de potențiali combustibili care pot fi
utilizați pe turbomotoare de mare eficiență. Ținând cont de peisajul
energetic în continua schimbare și de experiența acumulată în
ultimele 5 decenii, exista un interes din ce în ce mai mare în ceea
ce privește combustibilii non-tradiționali. Turbomotoarele, mașini
cu debit continuu, cu un design robust, și cu sisteme de combustie
universale, s-au demonstrat a fi capabile sa funcționeze cu o gamă
larga de combustibili. Cel mai comun mod de a clasifica
combustibilii este de a-i împarți în combustibili gazoși și
combustibili lichizi. Combustibilii gazoși pot fi clasificați mai
departe în funcție de puterea calorifică. În figura 2 este
prezentată o astfel de clasificare.
( Addressing Gas Turbine Fuel Flexibility (GE Energy / GER-4601 (05/2011) )
Gazul natural îmbogățit cu
hidrogen (HENG), abordează două mari probleme legate de producerea
de energie și de protecția mediului înconjurător: decarburarea și
îmbunătățirea administrării energiei, deoarece un amestec de
hidrogen și gaz natural amplifică eforturile de a crea o punte către
o lume cu o poluare cu carbon extrem de scăzută. Totuși, combinarea
hidrogenului cu gazul natural poate fi văzută ca o întoarcere în
timp. În ultimii 150 ani, ne-am bazat pe hidrogen în proporție de
10% până la 50% pentru a fabrica gaz, așa numitul "gaz de iluminat
orășenesc", nu doar pentru iluminat, ci și pentru încălzit și gătit,
înainte de a trece la folosirea gazelor naturale. Prin folosirea
gazelor naturale bogate în hidrogen este posibilă reducerea
emisiilor poluante, îmbunătățirea eficienței echipamentului care va
folosi acest combustibil și scăderea amprentei de carbon a gazului
natural în viitor.
OBIECTIVELE SI REZULTATELE ASTEPTATE ALE PROIECTULUI
Specific, obiectivele proiectului sunt:
• Efectuarea unei documentări privind modelele de combustie existente pentru a evalua starea actuală a domeniului modelării combustiei, proiectării și experimentării, concentrându-se asupra punctelor forte și slabe ale fiecărui model cu privire la aplicarea lor în modelarea combustiei preamestecate a gazului natural îmbogățit cu hidrogen. Alegerea modelului de combustie și dezvoltarea acestuia. Alegerea celor mai potrivite mecanisme de reacție chimică. Definirea cazurilor de testat. Analiza rezultatelor. Provocarea este de a găsi cele mai bune metodologii pentru obiectivele proiectului.
• Determinarea teoretică și experimentală a caracteristicilor combustiei. Concepția și proiectarea standului de încercări a zonei primare de înalta presiune a camerei de ardere a turbomotorului, dotat cu ferestre de cuarț și a unui stand de încercări pentru arzător de joasă presiune. Construcția celor două standuri. Instrumentarea și calibrarea celor două standuri. Determinări experimentale pe cele două standuri folosind metode și aparatura laserometrice de ultima generație cum ar fi PIV (Particle Image Velocity) și LIF (Laser Induced Fluorescence). Simulări CFD pentru cele doua teste folosind software-ul propriu al COMOTI, LEMLES. Corelarea datelor experimentale cu cele din simulările CFD. Cum s-a arătat anterior, studiile efectuate până acum au indicat faptul că îmbogățirea gazului natural cu hidrogen afectează anumite caracteristici cheie ale combustiei turbulente (parțial nestudiate). De exemplu: interacțiunile turbulență – reacții chimice (viteza flăcării turbulente, încrețirea și deformarea deformarea frontului de flacără, difuzia diferențiată, etc.); stabilitatea locală și globală a flăcării (limite de stingere, limite de retur, moduri de stabilitate, modificări termo-acustice); emisii poluante. Provocarea constă în preluarea informațiilor necesare din literatură, sau determinarea experimentală a datelor lipsă, și adaptarea la cazul concret al prezentei propuneri de proiect și dezvoltarea subrutinelor corespunzătoare în codul CFD al COMOTI. De asemenea trebuie dezvoltată o tehnică Laser adecvată domeniului proiectului, inclusiv instalarea pe stand a unor ferestre transparente din cuarț, rezistente la presiune și temperatură și, nu în ultimul rând, de calitate a cuarțului corespunzătoare în ceea ce privește transparența la lumina Laser.
• Proiectarea și modelarea CFD a modelului experimental de camerei de ardere. Cercetări tehnologice privind sudura și brazarea de înaltă precizie în vederea realizării modelului experimental de cameră de ardere pentru turbomotor. Realizarea modelului experimental de cameră de ardere, proiectarea și realizarea parțială (în primă fază) a standului de încercări ale modelului experimental de cameră de ardere. Provocarea constă în folosirea și dezvoltarea propriilor cunoștințe și experiență, propriile patente, pentru a proiecta și realiza o nouă camera de ardere, ținând cont de faptul ca fiecare cameră de ardere este unică, iar literatura în acest domeniu (proiectarea de ansamblu si detaliere componente) este quasi închisa și fără informații publice.
• Realizarea completă a standului de încercări a modelului experimental de cameră de ardere. Instrumentarea și calibrarea standului experimental. Determinarea caracteristicilor camerei de ardere experimentale. Corelarea datelor experimentale cu cele din simulările numerice.
• Reproiectarea modelului experimental de cameră de ardere rezultată în urma analizelor de optimizare, realizarea modificărilor, experimentări finale, concluzii.
• Diseminarea rezultatelor proiectului. Activități de comunicare: internet, mese rotunde, sesiuni științifice, etc. Evaluarea ecologică privind tehnologiile cu emisii reduse de carbon. Plan comercial.
ESTIMAREA ÎMBUNĂTĂȚIRII CALITĂȚII VIEȚII, RAPORTATĂ LA PERFORMAȚA ACTUALĂ A PRODUSELOR, TEHNOLOGIILOR ȘI/SAU SERVICIILOR
Prezentul proiect are în vedere o problema de importanță deosebită atât din punctul de vedere al protejării mediului, cât și din punct de vedere economic, aceea a energiei alternative și a securității energetice.
Așa cum s-a menționat anterior, realizarea cu succes a acestui proiect va mări considerabil viabilitatea economică a producției de energie regenerabilă, făcând-o mai atractivă pentru producătorii de energie, cu un impact benefic asupra sustenabilității producției de energie și, ca urmare, asupra calității vieții.
În plus, hidrogenul este un combustibil ce nu conține carbon. Adăugarea acestuia în amestecul de combustibil care alimentează turbomotoare pentru producerea energiei va diminua nivelul de CO, CO2 și pe cel al hidrocarburilor nearse, reducând nivelul emisiilor poluante și îmbunătățind calitatea vieții. Acesta este și un combustibil cu conținut energetic ridicat, așa că prin adăugarea lui în amestecul de gaze naturale de ars, pentru aceeași putere se va consuma mai puțin combustibil fosil, diminuând, astfel, nivelele poluanților (cu excepția posibilă a NOx, aceasta fiind una dintre întrebările la care își propune să răspundă prezentul proiect), întărind sustenabilitatea producției de energie din Romania si diminuând dependența țării de importurile energetice și a impactului acestora asupra bugetului național, astfel contribuindu-se la creșterea suplimentară a calității vieții.
Generarea de energie eficienta si nepoluanta este esențiala, pentru menținerea atât a securității economice, cât și a calității vieții. Prețul în creștere al gazelor naturale, la care se adăuga impactul negativ al emisiilor de dioxid de carbon asupra mediului la nivel global, impune cu necesitate găsirea unor surse energetice alternative viabile. O limitare majoră a surselor energetice alternative, precum cea eoliană, solară sau a mareelor, o constituie neconcordanța dintre perioadele de vârf ale producției și respectiv consumului, ceea ce conduce la apariția unei capacități de producție excedentare în perioadele de consum mai redus și la o capacitate de producție insuficientă în perioadele de consum maxim. Lipsa unei rețele viabile de stocare și distribuție pentru capacitatea energetica în exces provenite din surse de energie regenerabilă reduce eficiența sistemului pe ansamblu și limitează viabilitatea economică a acestora din urmă. Utilizarea infrastructurii de stocare și distribuție existente pentru gazelor naturale furnizează o soluție viabilă pentru această problemă și, în consecință, o modalitate de a crește și viabilitatea economică și implementarea pe scară largă a surselor alternative de energie.
Proiectul propus va aduce, deci, beneficii industriei românești și va susține și întări capacitatea ei de a atinge următoarele obiective:
• dependența redusă de importurile de gaze naturale
• expunerea redusă la volatilitatea pieței energetice internaționale
• emisii reduse de dioxid de carbon
• creșterea producției locale de energie
• oportunități crescute pe piața muncii.
Prezentul proiect va contribui la o mai bună înțelegere a procesului arderii gazelor naturale îmbogățite cu carbon în turbomotoare. Prina aceasta, el va contribui la creșterea viabilității economice a surselor de energie regenerabilă, oferind posibilitatea de a capta și utiliza capacitatea energetică excedentară în perioadele de consum redus, cu investiții noi de capital mici sau nule. Creșterea viabilității economice va accentua pătrunderea energiei regenerabile pe piață și, prin urmare, va contribui la reducerea emisiilor de dioxid de carbon, gaz ce produce efectul de seră. Proiectul propus va furniza o bază științifică și tehnologică pentru utiliza infrastructura existentă, destinată distribuției și utilizării combustibililor fosili, pentru a facilita tranziția spre o mai mare dependență față de sursele de energie regenerabilă și pentru a contribui la atingerea obiectivelor 20-20-20 legate de emisiile de gaze de seră.
O alimentare sigură și eficientă cu energie este esențială pentru securitatea politică și economică a României. Accesul direct la energie contribuie la asigurarea calității vieții, a coeziunii sociale și la stabilitatea politică. Sectorul de producție și distribuție a energiei electrice constituie o sursă importantă de angajare stabilă a forței de muncă. Acesta se bazează pe o rețea amplă de companii de distribuție și mentenanță, ceea ce încurajează libera inițiativă și susține multor companii mici și mijlocii. Extinderea dependenței de energia regenerabilă produsă la nivel local, pe care o promovează prezentul proiect, va crea locuri de muncă în producția, întreținerea și service-ul surselor de energie regenerabilă. Extinderea oportunităților de angajare pe piața muncii, la nivel local, dublată de o îmbunătățire a balanțelor comerciale rezultate din reducerea importurilor de combustibili fosili, va contribui la solvabilitatea financiara a țării.