Simulazione CFD della combustione diffusiva in una turbina Heavy Duty alimentata con miscele metano-idrogeno = CFD simulation of a diffusive Heavy Duty Gas Turbine Combustor fed with Natural gas and Hydrogen blends

A causa dell’incertezza economica globale post-pandemica, l’instabilità politica nell’est Europa e la necessità di ridurre la crescita dei livelli di inquinamento nel mondo che causano effetti irreversibili sul clima e sulla salute delle specie viventi, i governi di tutto il mondo stanno adottando delle misure alternative a quelle conosciute fino al secolo scorso per far fronte alla continua crescita di domanda di energia elettrica. Tra tutte, si stanno studiando le applicazioni dell’idrogeno molecolare nei processi di combustione. La produzione dell’idrogeno è potenzialmente realizzabile da qualsiasi paese e la combustione derivante da esso è un processo ad elevata efficienza e pulito ma presenta contemporaneamente altri problemi derivanti, in primo luogo, al suo trasporto e stoccaggio che oggigiorno non sono stati trattati su scala globale. Il presente elaborato di tesi è stato svolto in collaborazione con l’azienda EthosEnergy Italia S.P.A. con sede a Torino. Il lavoro si è focalizzato sullo studio del comportamento del processo di combustione che avviene nelle macchine turbogas per applicazioni heavy-duty tramite analisi 3D CFD (Computational Fluid Dynamics). Nel dettaglio, è stato fatto uno studio di fattibilità della combustione con miscele di gas naturale e di idrogeno molecolare in combustori a fiamma diffusiva di turbine con potenza utile pari a 40MW, con sistemi di combustione tubolar-anulari e studiati per funzionamenti con combustibili fossili gassosi. L’elaborato è composto da due parti distinte. La prima parte comprende la definizione del set-up numerico ideale per il caso trattato dove, per convalidarlo, è stata fatta una prima analisi sul singolo tubolare del sistema di combustione, con i dati di targa della macchina e con il funzionamento al 100% con gas naturale. Dopo questa prima parte di sensibilità, sono state eseguite le simulazioni con diverse percentuali volumetriche di idrogeno molecolare in miscela con gas naturale; in particolare, sono state condotte prove con il 15%, 25% e il 50% di idrogeno in miscela. Sono stati analizzati nel dettaglio gli effetti e la stabilità della combustione dell’idrogeno e particolare attenzione è stata posta al campo di temperatura, all’interno e all’uscita della camera di combustione; questo per preservare l’integrità strutturale della macchina e in un’ottica di limitare le emissioni di ossidi di azoto secondo le normative vigenti. I risultati di questo studio pongono le basi per una re-ingegnerizzazione e riprogettazione futura di questi sistemi già esistenti finalizzati al solo funzionamento con gas naturale.