Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Um die CO2-Emissionen zukünftiger Gasturbinenkraftwerke zu reduzieren, werden neue sequenzielle Verbrennungskonzepte in Betracht gezogen, die Wasserstoff verbrennen können und gleichzeitig extrem niedrige NOx-Werte und eine hohe Betriebsflexibilität gewährleisten. Das ARCH-Projekt zielt darauf ab, die grundlegenden Mechanismen der Flammenstabilisierung in diesen zukünftigen Brennkammertechnologien experimentell zu untersuchen und zu simulieren.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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To reduce CO2 emissions from future gas turbine power plants, new sequential combustion concepts are being considered that can burn hydrogen while ensuring extremely low NOx levels and high operational flexibility. The ARCH project aims to experimentally investigate and simulate the fundamental mechanisms of flame stabilization in these future combustor technologies.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Afin de réduire les émissions de CO2 des futures centrales électriques à turbines à gaz, de nouveaux concepts de combustion séquentielle capables de brûler de l'hydrogène tout en garantissant des niveaux de NOx extrêmement bas et une grande flexibilité de fonctionnement sont envisagés. Le projet ARCH vise à étudier expérimentalement et à simuler les mécanismes fondamentaux de stabilisation de la flamme dans ces futures technologies de chambre de combustion.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das ARCH-Projekt wurde im Zusammenhang mit dem dringenden Bedarf an CO2-freien Technologien zur Eindämmung des Klimawandels initiiert. Die weltweiten Bemühungen zur Bewältigung dieses enormen Problems zielen auf den Aufbau nachhaltiger Energienetze ab, die auf verschiedenen technologischen Lösungen basieren. Da der Ausgleich der Schwankungen erneuerbarer Energiequellen in großem Maßstab (GW) und über lange Zeiträume (Monate) mit modernen Batterietechnologien nicht erreicht werden kann und sofortige und wirksame Maßnahmen auf globaler Ebene und in den nächsten 30 Jahren ergriffen werden müssen, ist die rasche Entwicklung tragfähiger Alternativen zur Lösung des Problems der saisonalen Unterbrechungen der erneuerbaren Energien von entscheidender Bedeutung. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, sich auf große Mengen nachhaltig erzeugter chemischer Brennstoffe zu stützen, die relativ leicht über lange Zeiträume gelagert werden können, sowie auf neue Verbrennungstechnologien, mit denen diese Brennstoffe mit hohem Wirkungsgrad und äußerst geringen Schadstoffemissionen wieder in Strom umgewandelt werden können. Letzteres Ziel könnte mit großen Gasturbinen erreicht werden, die über sequenzielle Verbrennungskonzepte verfügen, die mit grünem Wasserstoff (H2) betrieben werden, unter der Voraussetzung, dass auch das frühere anspruchsvolle Ziel der großtechnischen Wasserstoffspeicherung in ausreichendem Maße erreicht wird. Tatsächlich gibt es bereits Belege dafür, dass mit Erdgas (NG) betriebene sequentielle Verbrennungssysteme eine sehr hohe betriebliche Flexibilität aufweisen und auch für mit H2 angereichertes NG hochflexibel ausgelegt werden können. Allerdings ist die Verbrennung von reinem H2 mit den modernsten auf dem Markt verfügbaren Technologien noch nicht ohne Effizienzverlust und erhöhte NOx-Emissionen möglich. Daher müssen in den kommenden Jahren weitere Anstrengungen unternommen werden, um die Physik von H2-Flammen bei hohem Druck besser zu verstehen, damit Systeme entwickelt werden können, die mit 100% H2 hochleistungsfähig und flexibel betrieben werden können.
Vor diesem Hintergrund zielte das ARCH-Projekt darauf ab, grundlegende Fragen im Zusammenhang mit der Verwendung von H2-reichen Brennstoffen in sequentiellen Verbrennungssystemen zu klären. Ziel war es, ein detailliertes Verständnis der Flammen in zwei verschiedenen Konzepten der sequentiellen Verbrennung bei Atmosphärendruck zu erlangen: axiale Brennstoffstufung ohne Zwischenluftverdünnung (AFS) und sequentielle Verbrennung bei konstantem Druck mit Zwischenluftverdünnung (CPSC). Der turbulente Verbrennungsprozess unter stationären und transienten Bedingungen wurde experimentell untersucht und numerisch modelliert. Mehrere experimentelle Studien wurden mithilfe eines akademischen Prüfstands durchgeführt, der die Hauptmerkmale der komplexen industriellen AFS- und CPSC-Konfigurationen aufweist. Darüber hinaus wurden Simulationen (LES) mit einem hochtreuen numerischen Löser und Ressourcen durchgeführt. Dieses vom CAPS-Labor der ETH Zürich geleitete Projekt lieferte Schlüsselergebnisse zu 1) den Mechanismen, die die Verankerung der H2-Flamme in sequentieller Konfiguration unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen regeln, 2) den in der Brennkammer vorherrschenden turbulenten Verbrennungsregimen, 3) der Empfindlichkeit der Flamme auf die Einlassbedingungen des sequentiellen Brenners und 4) der Modellierung und Vorhersage der turbulenten H2-Verbrennung mit numerischen Methoden. Diese Ergebnisse werden zur Entwicklung der Brennkammern von Industriegasturbinen beitragen, insbesondere zu den neuen Technologien von Ansaldo Energia, das sich aktiv an diesem ehrgeizigen Forschungsprojekt beteiligt hat.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The ARCH project has been initiated in the context of the urgent need for zero-CO2-emission technologies to mitigate the climate change. The global efforts engaged to address this huge problem aim at future sustainable energy networks with a mix of technological solutions. Considering that balancing the fluctuations from renewable energy sources at large scale (GWs) and over long time periods (months) cannot be achieved with foreseeable battery technologies and that immediate and effective actions must be taken at the global level within the coming thirty years, it is key to quickly develop alternative workable solutions for the problem of seasonal intermittency of renewable sources. One of way to address this issue is to rely on large quantities of sustainably produced chemical fuels that can be stored over long time scales relatively easily, and on new combustion technologies for converting these fuels back to electricity at high efficiency and ultra-low pollutant emissions. The latter objective could be attained with large gas turbines, featuring sequential combustion concepts supplied with green hydrogen (H2), under the condition that the former challenging objective of large-scale hydrogen storage is also adequately reached. Indeed, it is already proven that sequential combustion systems operated with natural gas (NG) exhibit very high operational flexibility and can also be designed for high fuel flexibility with blends of NG and H2. However, combustion of pure H2 with state-of-the-art technology available in the market is not yet possible without efficiency loss and NOx emission increase. Consequently, further efforts must be made in the coming few years to better understand the physics of H2 flames at elevated pressure in order to develop systems that can be robustly and flexibly operated with 100% H2. In this context, the ARCH project aimed at solving fundamental questions associated to the use of H2-rich fuels in sequential combustion systems. The goal was to obtain a detailed understanding of the flames in two different sequential combustion concepts at atmospheric pressure: the axial fuel staging concept without intermediate air dilution (AFS) and the constant pressure sequential combustion concept with intermediate air dilution (CPSC). The turbulent combustion process in stationary and transient conditions was investigated experimentally and modelled numerically. Several experimental investigations were carried out using an academic testrig having the main characteristics of complex industrial configurations based on AFS and CPSC. Moreover, large eddy simulations (LES) were performed using a high-fidelity numerical solver and high-performance computing resources. This project led by the CAPS Lab of ETH Zürich has provided key findings on 1) the mechanisms governing the anchoring of H2 flames in sequential configuration under a wide range of operating conditions, 2) the turbulent combustion regimes that dominate in the combustion chamber, 3) the sensitivity of the flame on the inlet conditions of the sequential burner, and 4) the modelling and prediction of the turbulent combustion of H2 with numerical methods. These findings will contribute to the development of industrial gas turbine combustors, and in particular, the new technologies of Ansaldo Energia who actively took part to this challenging research project.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le projet ARCH a été lancé dans le contexte du besoin urgent de technologies sans émissions de CO2 pour atténuer le changement climatique. Les efforts mondiaux engagés pour faire face à cet énorme problème visent à mettre en place des réseaux énergétiques durables basés sur différentes solutions technologiques. Étant donné que la compensation des fluctuations des sources d'énergie renouvelables à grande échelle (GW) et sur de longues périodes (mois) ne peut être atteint avec les technologies de batteries modernes et que des mesures immédiates et efficaces doivent être prises à l’échelle planétaire et dans les trente prochaines années, il est essentiel de développer rapidement des solutions alternatives viables pour résoudre le problème d'intermittence saisonnière des énergies renouvelables. L'une des façons de résoudre ce problème est de s'appuyer sur de grandes quantités de combustibles chimiques produits de manière durable et pouvant être stockés relativement facilement sur de longues périodes, ainsi que sur de nouvelles technologies de combustion permettant de reconvertir ces combustibles en électricité avec un rendement élevé et des émissions polluantes extrêmement faibles. Ce dernier objectif pourrait être atteint avec de grandes turbines à gaz, dotées de concepts de combustion séquentielle alimentés en hydrogène vert (H2), à condition que l'objectif précédent de stockage de l'hydrogène à grande échelle soit également atteint de manière adéquate. En effet, il est déjà prouvé que les systèmes de combustion séquentielle fonctionnant au gaz naturel (NG) présentent une très grande flexibilité opérationnelle et peuvent également être conçus pour une grande flexibilité en matière de NG enrichi à l’H2. Cependant, la combustion de H2 pur avec les technologies de pointe disponibles sur le marché n'est pas encore possible sans perte d'efficacité et augmentation des émissions de NOx. Par conséquent, des efforts supplémentaires doivent être faits dans les années à venir pour mieux comprendre la physique des flammes d'H2 à haute pression afin de développer des systèmes qui peuvent être exploités de manière robuste et flexible avec 100% d'H2. Dans ce contexte, le projet ARCH visait à résoudre des questions fondamentales liées à l'utilisation de combustibles riches en H2 dans les systèmes de combustion séquentielle. L'objectif était d'acquérir une compréhension détaillée des flammes dans deux concepts différents de combustion séquentielle opérés à pression atmosphérique: l'étagement axial du combustible sans dilution d’air intermédiaire (AFS) et la combustion séquentielle à pression constante avec dilution d’air intermédiaire (CPSC). Le processus de combustion turbulent dans des conditions stationnaires et transitoires a été étudié expérimentalement et modélisé numériquement. Plusieurs études expérimentales ont été réalisées à l'aide d'un banc d'essai académique ayant les principales caractéristiques des configurations industrielles complexes AFS et CPSC. De plus, des simulations aux grandes échelles (LES) ont été réalisées à l'aide d'un solveur numérique haute-fidélité et de ressources informatiques haute-performance. Ce projet mené par le laboratoire CAPS de l'ETH Zürich a fourni des résultats clés sur 1) les mécanismes régissant l'ancrage des flammes de H2 en configuration séquentielle dans une large gamme de conditions de fonctionnement, 2) les régimes de combustion turbulente qui dominent dans la chambre de combustion, 3) la sensibilité de la flamme sur les conditions d'entrée du brûleur séquentiel, et 4) la modélisation et la prédiction de la combustion turbulente de H2 avec des méthodes numériques. Ces résultats contribueront au développement des chambres de combustion des turbines à gaz industrielles, et en particulier aux nouvelles technologies d'Ansaldo Energia qui a participé activement à ce projet de recherche ambitieux.
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