Gas turbine efficiencies with varying hydrogen/methane fuel blends

Abstract

With the demand for clean energy production rising and a goal to reach carbon neutrality within the next 10 years, countries are looking for alternative energy sources. Hydrogen shows potential as CO2 emission free fuel source with the capability of replacing natural gas and other fossil fuels for gas turbine combustion.

The theoretical chapters discuss the significance of gas turbine electricity production and how natural gas is the second largest generator of electrical energy globally. It also examines how hydrogen gas is currently being extracted, what challenges hydrogen combustion brings and what are the advantages.

This study experiments with a simple open cycle industrial gas turbine with fuel blends varying from 100% methane to mixed blend and then 100% hydrogen. With two sets of result showing that when the air flow equivalence ratio lambda (λ) is not adjusted for the high thermal energy of hydrogen gas, the turbine starts to see waning results when more hydrogen is used. When the lambda (λ) value is optimized to 4.5 the results show that with an increasing hydrogen fuel ratio the turbine has an improved Net Power, cycle efficiency, fuel consumption and emission output.

Puhtaan energiantuotannon kysynnän kasvaessa, ja tavoiteltaessa hiilineutraaliutta seuraavan kymmenen vuoden aikana, valtiot hakevat vaihtoehtoisia energianlähteitä. Vety on potentiaalinen ratkaisu, sillä se on hiilidioksidipäästötön polttoaine, jota on mahdollista käyttää maakaasun ja muiden fossiilisten polttoaineiden sijaan kaasuturbiinin polttoaineena.

Teoreettisessa osuudessa tarkastellaan kaasuturbiinin roolia sähköntuotannossa ja maakaasun roolia toiseksi merkittävimpänä polttoaineena sähköenergian tuotannossa globaalisti. Osiossa tarkastellaan myös, kuinka vetykaasua tuotetaan sekä mitä haasteita vedyn palamisessa on ja toisaalta mitä etuja sillä on.

Tässä tutkielmassa tarkastellaan yksinkertaisen avoimen kierron teolliseen kaasuturbiinin toimintaa polttoaineseoksin, vaihdellen 100% metaanista kaasuseokseen ja lopulta 100% vetyyn. Kaksi tulossarjaa osoittaa, että mikäli lambda-arvoa ei säädä vetykaasun korkeaan lämpöenergiaan sopivaksi, turbiinin tulokset heikkenevät vedyn osuutta lisättäessä. Kun lambda-arvo optimoidaan 4,5:een, tulokset osoittavat, että kasvavan vetypolttoainesuhteen myötä turbiinin nettoteho, hyötysuhde, polttoaineen kulutus ja päästötuotto paranevat.