Το υδρογόνο ως καύσιμο του μέλλοντος για τους κινητήρες αερίου

Συγγραφείς: Stephan Laiminger, Michael Url, Martin Schneider, Klaus Payrhuber, INNIO Jenbacher. Πνευματικά δικαιώματα: προσαρμογή από CIMACάρθρο

Περίληψη

Οι κινητήρες αερίου προσφέρουν μεγάλη ευελιξία όσον αφορά τα καύσιμα, καθώς μπορούν να λειτουργούν με φυσικό αέριο και με μια ποικιλία μη φυσικών αερίων καυσίμων, από αέρια χαμηλής θερμιδικής αξίας (BTU) έως αέρια με υψηλή περιεκτικότητα σε υδρογόνο. Τα αέρια που περιέχουν υδρογόνο μπορούν να προέρχονται ως υποπροϊόν από τη χαλυβουργία (αέριο καμίνου) ή από χημικές διεργασίες, ή εναλλακτικά το υδρογόνο παράγεται και αναμιγνύεται με το φυσικό αέριο.

Στον τομέα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μεσαίου μεγέθους, οι κινητήρες αερίου της Jenbacher αποτελούν έναν καταξιωμένο πάροχο τεχνολογίας για τη χρήση καυσίμων με υψηλή περιεκτικότητα σε υδρογόνο. Τα αέρια από φούρνους οπτάνθρακα, καθώς και τα αέρια υποπροϊόντα χημικών διεργασιών με περιεκτικότητα σε υδρογόνο έως και 70 % κατ’ όγκο, έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορους τύπους κινητήρων και έχουν συσσωρεύσει πάνω από ένα εκατομμύριο ώρες λειτουργίας. Το υδρογόνο από ανανεώσιμες πηγές, όπως η αεριοποίηση ξύλου (σε συνθετικό αέριο), μπορεί να περιέχει έως και 50% κατ' όγκο υδρογόνο. Το υδρογόνο από ηλεκτρόλυση παρέχεται συνήθως ως καύσιμο H2 100% κατ' όγκο και καθαρισμένο και θεωρείται χωρίς άνθρακα (πράσινο H2) όταν η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από ανανεώσιμες πηγές.

Ένας από τους κύριους σκοπούς της παραγωγής πράσινου υδρογόνου είναι η προσθήκη του στο δίκτυο φυσικού αερίου, καθώς το δίκτυο φυσικού αερίου θεωρείται ένας εποχιακός και μεγάλης κλίμακας αποθηκευτικός χώρος ενέργειας, απαραίτητος για την εξισορρόπηση της διαλείπουσας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, όπως η αιολική και η ηλιακή. Όταν το υδρογόνο αναμιγνύεται με το φυσικό αέριο, η περιεκτικότητα σε υδρογόνο μπορεί να κυμαίνεται σε ένα ευρύ φάσμα. Οι κινητήρες αερίου έχουν την ικανότητα να καίνε αέρια με ευρύ φάσμα περιεκτικότητας σε υδρογόνο, αλλά υπάρχουν επίσης ορισμένες προκλήσεις που σχετίζονται με την πιθανή υψηλή διακύμανση της περιεκτικότητας σε υδρογόνο ή τον γρήγορο ρυθμό μεταβολής της. Σε αυτό το άρθρο θα συζητηθούν τα μελλοντικά πλεονεκτήματα, οι προκλήσεις καθώς και η εμπειρία με αέρια υψηλής περιεκτικότητας σε υδρογόνο στους κινητήρες αερίου Jenbacher.

Εισαγωγή

Ο κόσμος και το κλίμα του αλλάζουν με ταχύτερους ρυθμούς από ποτέ. Με τα επίπεδα CO2 στην ατμόσφαιρα να έχουν ήδη ξεπεράσει τα 400 ppm, η ρύπανση από CO2 πρέπει να μειωθεί προκειμένου να περιοριστεί η άνοδος των θερμοκρασιών στην ατμόσφαιρα που προκαλεί η υπερθέρμανση του πλανήτη. Αν και υπάρχουν διάφορα σενάρια σχετικά με την αύξηση των αερίων του θερμοκηπίου (ΑΘ) και το μέλλον του κλίματος, όλα δείχνουν ότι πρέπει να απομακρυνθούμε από τα ορυκτά καύσιμα και την ενέργεια που βασίζεται στον άνθρακα.

Επειδή η ζήτηση ενέργειας θα συνεχίσει να αυξάνεται, πρέπει να μειώσουμε τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά την παραγωγή ενέργειας, καθώς και τις απώλειες από την πλευρά του τελικού χρήστη, προκειμένου να διατηρήσουμε το παγκόσμιο κλίμα υπό έλεγχο. Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας (IEA) έχει δημιουργήσει ένα σενάριο για την απαιτούμενη μείωση των εκπομπών CO2 (Σχήμα 1), με στόχο να παραμείνει η αύξηση της θερμοκρασίας εντός του ορίου των +2 °C έως το 2100. Με τα προϊόντα της, η INNIO μπορεί να υποστηρίξει προσπάθειες όπως η μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η αλλαγή καυσίμων και η αύξηση της ενεργειακής απόδοσης, προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος.

Η βελτίωση της απόδοσης των κινητήρων αερίου Jenbacher* αποτελεί καθημερινή προτεραιότητα της INNIO, ενώ η εφαρμογή συστημάτων συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας (CHP) επιτρέπει τη σημαντική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Με την αντικατάσταση ενός σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με καύση άνθρακα από έναν σύγχρονο κινητήρα CHP , μπορεί να επιτευχθεί μείωση των εκπομπών CO2 της τάξης του 70%. Επιπλέον, οι κινητήρες της INNIO μπορούν να λειτουργούν με διάφορα καύσιμα, καθώς και με καύσιμα που δεν προέρχονται από ορυκτά καύσιμα. Βασικά, όλα τα καύσιμα αέρια μπορούν να μετατραπούν χρησιμοποιώντας κινητήρες αερίου.

Οι δυνατότητες μείωσης αντισταθμίζονται από το υψηλό δυναμικό εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου του μεθανίου, πράγμα που σημαίνει ότι οι διαρροές μεθανίου πρέπει να διατηρούνται στο ελάχιστο δυνατό επίπεδο. Λόγω των ιδιοτήτων του καυσίμου, η μετάβαση στο φυσικό αέριο μειώνει άμεσα τις εκπομπές CO2 κατά 25% σε σύγκριση με τους κινητήρες ντίζελ. Η αντικατάσταση ενός παλαιού σταθμού παραγωγής ενέργειας από άνθρακα με έναν σύγχρονο σταθμό CHP κινητήρες CHP μπορεί να οδηγήσει σε μείωση των εκπομπών CO2 έως και 70%. Δεδομένου ότι οι κινητήρες φυσικού αερίου είναι ιδανικοί για τη μετατροπή «αποβλήτων αερίων» ή βιοαερίων σε θερμότητα και ηλεκτρική ενέργεια, μπορεί να επιτευχθεί μείωση του CO2 κατά 100%. Η μετάβαση από το ντίζελ στο φυσικό αέριο, η αξιοποίηση των αποβλήτων αερίων ή η αύξηση της απόδοσης αποτελούν ένα βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση.

Λόγω της μεταβλητότητας των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, θα κληθούμε να αντιμετωπίσουμε την πρόκληση της αποθήκευσης ενέργειας. Εάν η ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται ως υδρογόνο (H2), οι κινητήρες αερίου θα αναγκαστούν να χρησιμοποιούν καύσιμα με υψηλή περιεκτικότητα σε υδρογόνο. Τα προϊόντα της INNIO είναι έτοιμα να ανταποκριθούν σε αυτή την πρόκληση.

Αποκαρβονισμός

Η απομάκρυνση από τα ορυκτά καύσιμα, γνωστή και ως αποκαρβονισμός, αποτελεί καυτό θέμα σε όλο τον κόσμο. Δεδομένου ότι η κυκλοφορία αποτελεί έναν από τους κύριους παράγοντες που συμβάλλουν στις εκπομπές CO2, η ηλεκτροκινητικότητα εξετάζεται και μελετάται ευρέως. Πρόσφατα, πολλές μελέτες έχουν δείξει πιθανές οδούς προς τον 100% αποκαρβονισμό. Μια μελέτη, που δημοσιεύθηκε από το FVV, παρουσιάζει τρία σενάρια που θα μπορούσαν να το καταστήσουν αυτό εφικτό. Τα σενάρια παρουσιάζονται στο Σχήμα 2. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να παρέχεται στο όχημα από μια μπαταρία ή από υδρογόνο που μετατρέπεται σε κυψέλη καυσίμου, ή το όχημα μπορεί να τροφοδοτείται με συμβατικό τρόπο με E-Fuel. Πρέπει να αναφερθεί ότι η μελέτη υποθέτει ότι οι τρέχουσες μπαταρίες τελευταίας τεχνολογίας δεν αποτελούν επιλογή για τα φορτηγά. Εάν λειτουργούν με ηλεκτρική ενέργεια, θα μπορούσαν επίσης να τροφοδοτούνται από εναέρια καλωδίωση.

 

Το σενάριο της ηλεκτροκίνησης απαιτεί άμεση παροχή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω επαναφόρτισης ή εναέριας καλωδίωσης. Το υδρογόνο και τα συνθετικά καύσιμα μπορούν να αποθηκευτούν για τις περιπτώσεις όπου η ανανεώσιμη ενέργεια (υδροηλεκτρική, αιολική ή φωτοβολταϊκή) δεν είναι διαθέσιμη. Το κλειδί για τη βιώσιμη αποκαρβονιοποίηση είναι η δυνατότητα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας με αποδοτικό και οικονομικά συμφέροντα τρόπο. Από τη σκοπιά της FVV, η λύση για την αποκαρβονιοποίηση δεν θα είναι μια μεμονωμένη τεχνολογία, αλλά ένας συνδυασμός και των τριών. Αυτό θα απαιτήσει υποδομή H2, επειδή το H2 είναι το πρώτο βήμα στη διαδικασία των E-Fuels και της άμεσης χρήσης του H2 ως καυσίμου οχημάτων. Ένα πολύ πιθανό σενάριο είναι ότι το H2 θα τροφοδοτείται επίσης στον αγωγό φυσικού αερίου (NG) για την αποθήκευση της πλεονάζουσας προσφοράς πριν από την κατασκευή μιας πλήρους υποδομής H2. Η συνέπεια θα αναγκάσει τους πελάτες να λειτουργούν με ένα μείγμα NG και H2.

Σε όλες αυτές τις προσεγγίσεις, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια, η οποία θα πρέπει να είναι διαθέσιμη σε περιόδους ανεπαρκούς παραγωγής αιολικής και ηλιακής ενέργειας. Το ερώτημα που πρέπει να απαντηθεί είναι πώς θα αποθηκευτεί η ηλεκτρική ενέργεια.

Αποθήκευση ενέργειας

Λόγω της μεταβλητότητας των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η αιολική και η ηλιακή, η αποθήκευση αποτελεί την τεχνολογία-κλειδί που πρέπει να επιλυθεί. Καθώς η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να εξασφαλίζεται καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους, απαιτείται η αποθήκευση μεγάλου όγκου ενέργειας για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (εποχική αποθήκευση). Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται μια σύγκριση διαφορετικών τεχνολογιών. Για μια βιώσιμη μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, απαιτείται εποχική αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας. Οι μπαταρίες είναι κατάλληλες μόνο για την αποθήκευση της μέγιστης ημερήσιας ζήτησης. Η εποχική αποθήκευση πρέπει να ακολουθεί τη διαδρομή του υδρογόνου, τουλάχιστον ως ενδιάμεσο προϊόν. Ακόμη και με την αποθήκευση σε αντλησιοταμίευση ή συμπιεσμένο αέρα, η ηλιακή ενέργεια δεν μπορεί να συλλεχθεί το καλοκαίρι και να αποθηκευτεί για το χειμώνα.

Το υδρογόνο (H2) που παράγεται μέσω ηλεκτρόλυσης του νερού αποτελεί την αφετηρία για διάφορες στρατηγικές αποθήκευσης. Το H2 μπορεί να αποθηκευτεί απευθείας, υπόγεια σε σπηλιές, ή να διοχετευθεί στο δίκτυο φυσικού αερίου, οδηγώντας σε μείγμα φυσικού αερίου και H2. Επί του παρόντος επιτρέπεται περιεκτικότητα έως 5% σε H2, αλλά έχουν προταθεί ποσοστά έως και 10% για το εγγύς μέλλον. Είναι πιθανό η περιεκτικότητα σε υδρογόνο στον αγωγό φυσικού αερίου να αυξηθεί ακόμη περισσότερο στο μέλλον, διαφορετικά θα χρειαστεί να εγκατασταθεί ένα ξεχωριστό σύστημα διανομής υδρογόνου. Τουλάχιστον για μια μεταβατική περίοδο, αναμένεται ότι το υδρογόνο θα διανέμεται μέσω του υπάρχοντος δικτύου φυσικού αερίου.

Μια επιλογή για τη διατήρηση της υπάρχουσας υποδομής φυσικού αερίου και ντίζελ χωρίς αλλαγές μπορεί να επιτευχθεί μέσω της μετατροπής του υδρογόνου (H2) σε συνθετικό φυσικό αέριο (SNG) ή σε υγρό E-Fuel. Πρόκειται για το 3ο σενάριο του FVV που παρουσιάζεται στο Σχήμα 2, μια εύκολη τεχνολογία-γέφυρα από την πλευρά της υποδομής μεταφορών. Ωστόσο, η διαδικασία αυτή παρουσιάζει και μειονεκτήματα (Σχήμα 4). Εκτός από το υψηλό κόστος παραγωγής, η ανάγκη για CO2 αποτελεί πρόκληση. Παρά το νέο ρεκόρ υψηλών επιπέδων CO2 στην ατμόσφαιρα, η συγκέντρωση παραμένει πολύ χαμηλή για μια αποτελεσματική διαδικασία διαχωρισμού.

Εάν ήταν δυνατή η παραγωγή ενός οικονομικά αποδοτικού ηλεκτρονικού καυσίμου (E-Fuel), με ιδιότητες παρόμοιες με αυτές του ντίζελ, της βενζίνης ή του φυσικού αερίου, τα περισσότερα από τα προβλήματα που εμποδίζουν ένα μέλλον χωρίς άνθρακα θα λύνονταν, καθώς δεν θα απαιτούνταν σχεδόν καμία αλλαγή στον εξοπλισμό των τελικών χρηστών. Αυτή τη στιγμή, υπάρχουν ορισμένες μονάδες επίδειξης μικρής έως μεσαίας κλίμακας για την παραγωγή ηλεκτρονικού καυσίμου (E-Fuel) που βρίσκονται σε φάση σχεδιασμού ή λειτουργίας. Μια επιτυχημένη επέκταση της παραγωγής θα επέτρεπε την οικονομικά αποδοτική παραγωγή και αποθήκευση ηλεκτρονικού καυσίμου (E-Fuel) σε μεγάλη κλίμακα.

Το υδρογόνο ως καύσιμο

Οι δύο τεχνολογικοί τομείς, η αποκαρβονιοποίηση των μεταφορών και η μακροπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας, βασίζονται στο υδρογόνο. Καθώς το υδρογόνο θα μεταφέρεται μέσω αγωγών, θα αυξηθεί η ανάγκη για ευέλικτους κινητήρες αερίου που μπορούν να λειτουργούν με υδρογόνο.

Δεδομένου ότι οι κινητήρες αερίου είναι ήδη κατάλληλοι για τη χρήση διαφορετικών αερίων, η άμεση χρήση υδρογόνου (H2) ή μειγμάτων υδρογόνου και φυσικού αερίου αποτελεί μια βιώσιμη επιλογή. Φυσικά, δεν πρόκειται για ένα έτοιμο προς χρήση προϊόν και απαιτούνται συγκεκριμένες τεχνολογίες και βελτιστοποιήσεις για την αντιμετώπιση των μεταβαλλόμενων χαρακτηριστικών του αερίου. Η ομάδα εργασίας CIMAC WG 17 έχει δημοσιεύσει ένα έγγραφο θέσης με θέμα «Επίδραση της ποιότητας του αερίου στην απόδοση των κινητήρων αερίου».

Η απελευθέρωση της αγοράς φυσικού αερίου θα έχει σημαντικές επιπτώσεις στις ιδιότητες των καυσίμων. Ορισμένες παράμετροι παρουσιάζονται στα Σχήματα 5, 6 και 7.

Οι προτεινόμενες τιμές του δείκτη Wobbe (Ws) διαφέρουν από χώρα σε χώρα. Επιπλέον, αναμένεται μια γενική απελευθέρωση των προδιαγραφών ποιότητας του φυσικού αερίου. Αυτό δεν σημαίνει ότι όλοι οι καταναλωτές θα αντιμετωπίσουν αυτό το εύρος τιμών· σε τοπικό επίπεδο, η ποιότητα του φυσικού αερίου θα μπορούσε να παραμείνει σχετικά σταθερή.

Ο δείκτης Wobbe δεν αποτελεί την πιο κρίσιμη τιμή για τους κινητήρες αερίου. Καθώς οι κινητήρες αερίου λειτουργούν συνήθως ως κινητήρες Otto-SI, με κίνδυνο κροταλίσματος, ο αριθμός μεθανίου είναι πιο σημαντικός. Ο αριθμός μεθανίου δεν συσχετίζεται με τον δείκτη Wobbe (Σχήμα 6), αλλά παρατηρείται ότι ένα αέριο με δείκτη Wobbe 54 έχει αριθμό μεθανίου μικρότερο από 65, κάτι που είναι απαράδεκτο για τους περισσότερους κινητήρες αερίου υψηλής απόδοσης.

Οι νέοι κινητήρες μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να λειτουργούν με ένα ευρύ φάσμα ποιότητας αερίου, με κάποια μείωση της απόδοσης και άλλων παραμέτρων επιδόσεων. Η πραγματική πρόκληση είναι ο υπάρχων στόλος. Οι κινητήρες αερίου έχουν σχεδιαστεί για να χρησιμοποιούνται για πολλά χρόνια, οπότε μια απότομη αλλαγή στην ποιότητα του αερίου θα αναγκάσει την ανάπτυξη κιτ αναβάθμισης, καθώς η απλή διακοπή της λειτουργίας των κινητήρων δεν αποτελεί επιλογή.

The higher hydrocarbons (C4 and C4+) sometimes found in LNG fuel will lower the methane number, and the admixture of hydrogen has a comparable effect. A 10% limit for hydrogen is under discussion from the gas industry while manufacturers of gas turbines and engines have specified limits between 1% and 5%. Even with 10% admixture, the resulting density of the mixed gas will be for some base gases out of the current specification for density ratio (0.55<d<0.75), as shown in Figure 7. The admixture of bio-methane can bring additional impurities such as siloxanes and sulphur to the gas network, which would negatively impact consumers but would have especially profound effects on gas engines.

Δεδομένου ότι το υδρογόνο (H₂) ενδέχεται να αποτελέσει την βασική τεχνολογία για την αποκαρβονιοποίηση, θα επέλθει μια μεταβολή που θα συνεπάγεται συχνές αλλαγές στην ποιότητα του φυσικού αερίου. Ένα πιθανό σενάριο είναι η αποθήκευση υδρογόνου στην υπάρχουσα υποδομή αγωγών φυσικού αερίου (Σχήμα 8). Το υδρογόνο θα παράγεται σε μονάδες μεγάλης κλίμακας και θα διανέμεται στους τελικούς καταναλωτές ή θα υποβάλλεται σε περαιτέρω επεξεργασία για την παραγωγή συνθετικών καυσίμων.

Οι κινητήρες αερίου πρέπει να μπορούν να λειτουργούν με αέρια, στην καλύτερη περίπτωση, με περιεκτικότητα σε H₂ από 0 έως 100%.

Στρατηγική καύσης υδρογόνου

Οι κινητήρες αερίου Jenbacher της INNIO διαθέτουν μεγάλη εμπειρία στη χρήση όλων των ειδών των μη φυσικών αερίων. Ορισμένα από αυτά τα αέρια, όπως το αέριο από χώρους υγειονομικής ταφής και τα ανθρακωρυχεία, βασίζονται στο CH₄ και παρουσιάζουν συμπεριφορά καύσης παρόμοια με αυτή του φυσικού αερίου. Η άλλη μεγάλη ομάδα βασίζεται στο H₂ και το CO, όπως τα αέρια που προέρχονται από αεριοποίηση και από την παραγωγή χάλυβα. Η περιεκτικότητα σε H2 μπορεί να φτάσει έως και το 70% σε αυτές τις εφαρμογές, και διάφοροι τύποι κινητήρων αερίου Jenbacher της INNIO έχουν ήδη συμπληρώσει πάνω από 1 εκατομμύριο ώρες λειτουργίας. Η ποιότητα του αερίου παραμένει σταθερή κατά τη συνήθη λειτουργία, οπότε οι κινητήρες μπορούν να σχεδιαστούν για να χρησιμοποιούν αυτά τα αέρια. Εάν αναμένεται μεγάλη διακύμανση στην ποιότητα του αερίου, απαιτείται περισσότερη προσπάθεια και πρέπει να γίνουν αποδοχές όσον αφορά την απόδοση του κινητήρα.

Το Σχήμα 9 παρουσιάζει ορισμένα παραδείγματα έργων με κινητήρες αερίου Jenbacher που αξιοποιούν απόβλητα αέρια της βιομηχανίας. Με αυτό το ευρύ φάσμα εμπειρίας, η INNIO βρίσκεται σε καλό δρόμο για να επιτύχει τον στόχο της δημιουργίας ενός πλήρως ευέλικτου κινητήρα, ικανό να λειτουργεί με καύσιμα που περιέχουν από 0 έως 100% υδρογόνο.

Οι εκδόσεις κινητήρων αερίου της INNIO για εφαρμογές εκτός του φυσικού αερίου διαφέρουν από τους τυπικούς κινητήρες φυσικού αερίου. Ένα παράδειγμα αποτελεί ο σχεδιασμός του εμβόλου ενός κινητήρα αερίου Jenbacher τύπου 6 (Εικόνα 9). Ο τυπικός σχεδιασμός είναι τύπου «flat top» ή με πολύ ρηχή κοιλότητα, όπου η στροβιλισμός δημιουργείται από τον προθάλαμο καύσης που τροφοδοτείται με αέριο. Το αέριο με υψηλή περιεκτικότητα σε H2 δεν μπορεί να μετατραπεί με ασφάλεια με ένα σύστημα καύσης προθαλάμου.

Ένα σύστημα άμεσης ανάφλεξης αποτελεί την προτιμώμενη λύση, με καθορισμένο επίπεδο στροβιλισμού στον κύριο θάλαμο, το οποίο δημιουργείται από τον στροβιλισμό στην εισαγωγή και ένα ειδικά διαμορφωμένο έμβολο που διακόπτει τον στροβιλισμό.

Ο βασικός παράγοντας για μια σταθερή καύση υδρογόνου είναι η στρατηγική καύσης, η οποία ξεκινά από την προετοιμασία του μίγματος, τη διαδρομή του μίγματος, την ανάφλεξη του μίγματος και φτάνει μέχρι την ίδια την κύρια διαδικασία καύσης, καθώς και τη στρατηγική τροφοδοσίας.

Ένας θάλαμος καύσης σχεδιασμένος για καύσιμα με υψηλή περιεκτικότητα σε H₂ διαφέρει από έναν θάλαμο για καύσιμα που αποτελούνται κατά 100% από φυσικό αέριο. Πραγματοποιήθηκε δοκιμή μονοκύλινδρου κινητήρα (SCE) με διαφορετική περιεκτικότητα σε H₂, η οποία παρουσιάζεται στις Εικόνες 11 και 12. Η αύξηση της περιεκτικότητας σε H₂ επιταχύνει την καύση και οδηγεί σε μια πολύ αποδοτική διαδικασία καύσης.

Πρέπει να επαναληφθεί ότι ο θάλαμος καύσης τροποποιήθηκε σε σχέση με τον αρχικό σχεδιασμό, ώστε να μπορεί να λειτουργεί με καύσιμο που περιέχει υδρογόνο. Η ισχύς διατηρήθηκε σταθερή κατά τη διάρκεια αυτού του πειράματος, γεγονός που οδήγησε σε αύξηση της «μέγιστης πίεσης καύσης» του κινητήρα. Η βασική κατασκευή πρέπει να είναι σε θέση να αντέξει αυτή την πίεση, διαφορετικά θα πρέπει να μειωθεί η ισχύς εξόδου.

Η επίδραση στον συνολικό κινητήρα παρουσιάζεται στο Σχήμα 12. Οι βασικοί παράμετροι απόδοσης υπολογίζονται με βάση τα αποτελέσματα της SCE. Η πολύ γρήγορη καύση με περιεκτικότητα 50% σε H₂ δεν μπορεί να μεταφραστεί απευθείας σε πολύ καλή συνολική απόδοση του κινητήρα. Για να διατηρηθούν οι εκπομπές NOx στο ίδιο επίπεδο, είναι απαραίτητο να γίνει πιο φτωχό το μίγμα καύσης. Αυτό οδηγεί σε μεγαλύτερη απαίτηση πίεσης υπερπλήρωσης και, τελικά, σε αυξημένες απώλειες άντλησης.

Το πλεονέκτημα της ταχείας καύσης αντισταθμίζεται με το παραπάνω από τις αυξημένες απώλειες. Για υψηλότερη περιεκτικότητα σε H2, απαιτείται μια περαιτέρω αλλαγή στο σχεδιασμό του θαλάμου καύσης. Ωστόσο, όπως αποδείχθηκε, η μικρή ποσότητα H2 στο καύσιμο αέριο προσφέρει βελτίωση της απόδοσης και επιτρέπει τη σταθερή λειτουργία του κινητήρα με χαμηλότερες εκπομπές NOx.

Ωστόσο, ειδικά σε περίπτωση καυσίμων με υψηλή περιεκτικότητα σε H₂ και/ή CO, έχουμε παρατηρήσει φαινόμενα ανώμαλης καύσης. Ορισμένοι κύκλοι αρχίζουν να επιταχύνουν την καύση και μεταβαίνουν σε αυτοανάφλεξη χωρίς κροτάλισμα. Στο Σχήμα 13, παρουσιάζεται η πορεία της πίεσης εντός του κυλίνδρου για διαφορετικούς κύκλους καύσης. Επιπλέον, απεικονίζεται το σήμα τάσης ανάφλεξης (πράσινη γραμμή) και είναι σαφώς ορατό ότι η καύση του «κόκκινου κύκλου» ξεκινά με μια πρόωρη, αυτοαναφλεγόμενη καύση. Αυτή η πρόωρη καύση είναι αρκετά γρήγορη ώστε να μετατραπεί όλο το φορτίο και να μην προκύψει κρότος, γεγονός που οδηγεί σε πολύ υψηλή μέγιστη πίεση ανάφλεξης. Το μειονέκτημα είναι ότι, επειδή δεν υπάρχει κρότος, ο τυπικός έλεγχος του κινητήρα δεν μπορεί να ανιχνεύσει αυτά τα φαινόμενα. Αυτό μπορεί να προκαλέσει σοβαρή βλάβη στον κινητήρα. Με ένα σύστημα ελέγχου βασισμένο στην πίεση εντός του κυλίνδρου, αυτά τα φαινόμενα μπορούν να ανιχνευθούν και είναι δυνατή η ασφαλής και σταθερή λειτουργία του κινητήρα. Στην INNIO, αυτό εφαρμόζεται εδώ και χρόνια σε πολλές από τις εκδόσεις μας που δεν λειτουργούν με φυσικό αέριο.

Μια άλλη επιλογή για την αποφυγή αυτών των φαινομένων ανώμαλης καύσης είναι η μετάβαση σε ένα σύστημα καύσης με άμεση έγχυση υδρογόνου στον κύριο θάλαμο καύσης. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα ανάφλεξης με τον συμβατικό τρόπο, μέσω μπουζί, ή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 14, με μικρή ποσότητα ντίζελ.

Αυτή η τεχνολογία, που περιλαμβάνει άμεση έγχυση υδρογόνου (H2) και, εναλλακτικά, ανάφλεξη με πιλοτική έγχυση ντίζελ, αποτελεί ερευνητικό έργο που υλοποιείται από την εταιρεία Large Engines Competence Center GmbH (LEC). Εντάσσεται στο πρόγραμμα έρευνας και καινοτομίας «Ορίζοντας 2020» της Ευρωπαϊκής Ένωσης, στο πλαίσιο της συμφωνίας επιχορήγησης αριθ. 768945.

Φυσικά, θα υπάρχουν και άλλες επιλογές για τη χρήση του υδρογόνου σε κινητήρες βενζίνης. Έχουν ήδη υλοποιηθεί μερικά πρώτα πρωτότυπα, ενώ αναμένεται να ακολουθήσουν και άλλα.

Παραδείγματα & Ανάπτυξη

Η INNIO διαθέτει πολλές εγκαταστάσεις που λειτουργούν με αέρια που περιέχουν υδρογόνο (H2). Στο Σχήμα 15 παρουσιάζεται μια πιλοτική μονάδα P2G στην Αργεντινή. Η ανανεώσιμη ενέργεια από ένα αιολικό πάρκο αποθηκεύεται ως H2 και, σε περιόδους υψηλής ζήτησης, το H2 μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω ενός κινητήρα αερίου. Ο κινητήρας δεν έχει σχεδιαστεί για περιεκτικότητα 100% σε H2, το βασικό καύσιμο είναι το φυσικό αέριο και προστίθεται έως και 40% H2 με ελάχιστη μόνο μείωση της ισχύος. Αυτή η μονάδα λειτουργεί εδώ και περίπου 10 χρόνια και εξακολουθεί να είναι σε λειτουργία.

Για μελλοντική εφαρμογή, ένα προηγμένο σχέδιο αποτελεί το ήδη αναφερθέν πρόγραμμα έρευνας και καινοτομίας «Horizon 2020» της Ευρωπαϊκής Ένωσης, το HyMethShip. Η αποθήκευση ενέργειας πραγματοποιείται μέσω μεθανόλης (CH3OH) που παράγεται από υδρογόνο (H2) προερχόμενο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και ενός κλειστού κύκλου CO2. Στο Σχήμα 16 παρουσιάζεται ένα γενικό διάγραμμα ροής.

Η πρόκληση στην παραγωγή μεθανόλης συνίσταται στο να εξασφαλίζεται επίσης το CO2 από ανανεώσιμες πηγές. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα, το CO2 συλλέγεται στο πλοίο και μεταφέρεται πίσω στο εργοστάσιο μεθανόλης, κλείνοντας έτσι τον απαιτητικό κύκλο του CO2.

Στο Σχήμα 17 παρουσιάζεται ένας πιο λεπτομερής χάρτης της διαδικασίας που αφορά την υποδομή του πλοίου. Βασικός πυλώνας της ιδέας είναι ένας κινητήρας αερίου που θα λειτουργεί με καύσιμο υδρογόνο (H2) ή οποιοδήποτε μείγμα υδρογόνου και μεθανόλης. Το έργο αποτελεί ένα πρόγραμμα επίδειξης τεχνολογίας και, εάν αποδειχθεί επιτυχές σε ναυτιλιακή εφαρμογή, θα μπορούσε επίσης να λειτουργήσει ως μονάδα αποθήκευσης ενέργειας στον τομέα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Τα βασικά στάδια της διαδικασίας είναι:

• Η ενέργεια αποθηκεύεται σε μια δεξαμενή μεθανόλης στο πλοίο.
• Η μεθανόλη ανασχηματίζεται επί του πλοίου σε H₂ και CO₂.
• Το H₂ και το CO₂ διαχωρίζονται μέσω ενός ενσωματωμένου μετατροπέα με μεμβράνη.
• Το CO2 συμπυκνώνεται και αποθηκεύεται σε υγρή μορφή και μεταφέρεται πίσω στο εργοστάσιο μεθανόλης.
• Το υδρογόνο μετατρέπεται σε κινητήρα αερίου σε ενέργεια πρόωσης, παράγοντας παράλληλα πολύ χαμηλές εκπομπές.

Το πρόγραμμα HyMethShip θα αποδείξει την ετοιμότητα και τη λειτουργικότητα αυτής της ιδέας σε εργαστηριακή κλίμακα, ενώ η αξιολόγηση των επιδόσεων δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί. Διατίθεται επίσης μια αναλυτική παρουσίαση του προγράμματος από το LEC (έγγραφο CIMAC 104).

Συμπέρασμα

Για την επίτευξη του στόχου της 100% αποκαρβονισμού, απαιτείται η αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας για διάστημα μεγαλύτερο της μίας ημέρας. Ειδικά για την εποχική αποθήκευση, είναι προτιμότερο να επιλέγεται η αποθήκευση χημικής ενέργειας. Το υδρογόνο και/ή το SNG μπορούν να διοχετευθούν στην υπάρχουσα υποδομή φυσικού αερίου, που περιλαμβάνει αγωγούς και αποθήκες σε υπόγειες κοιλότητες. Όταν η παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας είναι ανεπαρκής, τα μείγματα H2-NG μπορούν στη συνέχεια να μετατραπούν με ευελιξία σε ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα μέσω κινητήρα αερίου. Επομένως, πρέπει να αναπτυχθεί ένας πλήρως ευέλικτος κινητήρας, ικανός να χρησιμοποιεί μείγματα από 0 έως 100% H2. Στην INNIO, διαθέτουμε τεχνολογίες για να αποδείξουμε αυτές τις απαιτήσεις για νέες μονάδες. Ένα ερώτημα είναι πώς να αντιμετωπιστεί ο υπάρχων στόλος.

Ορισμοί, ακρωνύμια, συντομογραφίες

CAES: Αποθήκευση ενέργειας με συμπίεση αέρα
CCS: Δέσμευση Άνθρακα
CHP: Συνδυασμένη Παραγωγή Ισχύος Θερμότητας και Παραγωγή Ισχύος
GHG: Αέρια του Θερμοκηπίου
IEA: Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας
NG: Φυσικό Αέριο
NNG: Μη Φυσικό Αέριο
P2G: Παραγωγή Ισχύος Αέριο
P2G: Παραγωγή Ισχύος Αέριο
PFP: Πίεση Μέγιστης Καύσης
SCE: Μονοκύλινδρος Κινητήρας
SNG: Συνθετικό Φυσικό Αέριο

* Το Jenbacher είναι εμπορικό σήμα.

Ευχαριστίες

Ιδιαίτερες ευχαριστίες στους συναδέλφους της LEC GmbH, συνεργάτη της INNIO σε έργα ανάπτυξης συστημάτων καύσης. Η LEC GmbH είναι επίσης ο συντονιστής του προγράμματος HyMethShip, του προγράμματος έρευνας και καινοτομίας «Ορίζοντας 2020» της Ευρωπαϊκής Ένωσης, στο πλαίσιο της συμφωνίας επιχορήγησης αριθ. 768945.

Παραπομπές και βιβλιογραφία

Έγγραφο θέσης CIMAC 07/2015: Επίδραση της ποιότητας του αερίου στην απόδοση των κινητήρων αερίου

IEA «Οδικός χάρτης – Υδρογόνο και κυψέλες καυσίμου»

FVV – Επιλογές για μια κλιματικά ουδέτερη κινητικότητα το 2050· Ενεργειακές διαδρομές για τις οδικές μεταφορές του μέλλοντος

NREL; Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας

Πρόγραμμα έρευνας και καινοτομίας «Ορίζοντας 2020» της Ευρωπαϊκής Ένωσης, στο πλαίσιο της συμφωνίας επιχορήγησης αριθ. 768945.

Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας (IEA) «Παρακολούθηση της προόδου στον τομέα της καθαρής ενέργειας 2017»