Modellazione della formazione di NOx in combustori di turbine a gas alimentati con miscele metano-idrogeno = Modeling of NOx formation in gas turbine combustors fed with methane-hydrogen mixtures

L’importanza e l’attenzione verso l’ambiente si traducono, nel campo della produzione energetica, nel limitare le emissioni derivanti dalla combustione dei combustibili fossili. Un obiettivo, al quale si vuole giungere, è la decarbonizzazione per le tecnologie di turbine a gas. In risposta a ciò, l’idrogeno, vettore energetico privo di carbonio, viene considerato come possibile alternativa ai combustibili finora utilizzati. I vantaggi che ne conseguono sono: limite di infiammabilità maggiore e emissioni allo scarico minori. Dalla sua combustione, infatti, non derivano prodotti carboniosi; inoltre può essere sfruttato per l’immagazzinamento di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili. È tuttavia difficile adottare un tipo di combustione basato solo sull’idrogeno a causa dell’instabilità della fiamma che ne consegue. In questa tesi viene presa in considerazione una turbina a gas da 40MW di EthosEnergy. Progettata per combustioni a base di gas naturale, si studia il comportamento con miscele di CH4-H2. Vengono svolte simulazioni reattive e stazionarie con il codice commerciale ANSYS® FLUENT utilizzando un approccio basato sulla pressione. La geometria del combustore viene privata dell’involucro in quanto, la suddivisione delle portate attraverso i fori, è stata precedentemente calcolata. Tale semplificazione permette di prestare maggiore attenzione alla cinetica chimica e all’analisi della formazione degli inquinanti derivanti. Le simulazioni includono configurazioni con percentuali di idrogeno variabili fino al 50% in volume. Si pone maggiore attenzione ai meccanismi di formazione degli ossidi di azoto, principale inquinante che aumenta all’aumentare del carico di idrogeno. Fluent prevede al suo interno solo i meccanismi principali di formazione; quindi per tener conto delle altre cause di formazione, ci si approccia al problema creando un modello noto come Chemical Reactor Network: un sistema basato sulla discretizzazione del dominio in reattori in cui applicare e calcolare meccanismi di cinetica chimica completa. I dati acquisiti costituiscono la base per il retrofit nel campo dell’idrogeno per combustioni diffusive applicate alle turbine a gas.