Αριθμητική διερεύνηση καύσης υδρογόνου και αερίου σύνθεσης για εφαρμογές σε συστήματα καύσης και μετατροπής ενέργειας

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται µε την αριθμητική διερεύνηση της καύσης του υδρογόνου και του αερίου σύνθεσης για εφαρμογές σε συστήματα καύσης και συστήματα μετατροπής ενέργειας. Η διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Ετερογενών Μειγμάτων και Συστημάτων Καύσης του ΕΜΠ, και εντάσσεται στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του. Η εργασία είναι διαρθρωμένη σε τέσσερα κεφάλαια. Το πρώτο εξ’ αυτών παρουσιάζει τα προβλήματα που προκύπτουν από την ανεξέλεγκτη χρήση των ορυκτών καυσίμων, δηλαδή το ενεργειακό πρόβλημα και την περιβαλλοντική καταστροφή. Οι χρήσεις των υδρογονανθράκων ως αποκλειστικά καύσιμα μαζικής κατανάλωσης συνέβαλε στην ελάττωση των ποσοτήτων τους, γεγονός το οποίο έρχεται σε αντίκρουση με την ολοένα αυξανόμενη ζήτηση και την ανικανότητα αναπαραγωγής τους. Επίσης, λόγω της άνισης κατανομής των κοιτασμάτων υδρογονανθράκων, δημιουργούνται διάφορες κοινωνικοπολιτικές αναταράξεις σε παγκόσμιο εύρος. Τέλος, από την κατανάλωση υδρογονανθράκων εκλύονται ρυπογόνες ουσίες οι οποίες ευθύνονται για το ‘φαινόμενο του θερμοκηπίου’ και την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη, καθώς και για την γενικότερη ρύπανση της ατμόσφαιρας και τις συνακόλουθες επιπτώσεις της στα οικοσυστήματα και στην ανθρώπινη υγεία. Παρουσιάζονται οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, που ίσως αποτελούν την λύση στα προβλήματα αυτά. Ακόμα, λόγω της ανικανότητας αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, κρίνεται επιτακτική ανάγκη η ύπαρξη κάποιου μέσου αποθήκευσης. Επίσης, υπάρχει ανάγκη εναλλακτικού από τα ορυκτά καυσίμου για την χρήση του στα μέσα μεταφοράς. Τις ανάγκες αυτές εξυπηρετεί το υδρογόνο που αναφέρεται στο κεφάλαιο αυτό και περιγράφεται εκτενέστερα στο δεύτερο κεφάλαιο. Όμως, λόγω του μεγάλου κόστους παραγωγής καθαρού υδρογόνου και εφόσον η ηλεκτρόλυση επιφέρει ακόμα μικρές αποδόσεις, εξετάζεται η χρήση του υδρογόνου ως μίγμα με το μονοξείδιο του άνθρακα. Το μίγμα αυτό είναι γνωστό ως αέριο σύνθεσης (synthesis gas)και αναφέρεται στο πρώτο κεφάλαιο ενώ περιγράφεται εκτενέστερα στο τρίτο κεφάλαιο. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου, τα κόστη από μια ‘οικονομία υδρογόνου’, οι δυνατές χρήσεις του υδρογόνου, η αποθήκευση και η μεταφορά του. Εντοπίζονται πολλές μέθοδοι παραγωγής οι οποίες δεν είναι ακόμα αποδοτικές. Στη συνέχεια περιγράφονται τα κόστη του υδρογόνου στην εφαρμογή του ως καύσιμο. Ακολουθούν οι εφαρμογές του σε κυψέλες καυσίμου και έπειτα περιγράφονται τα κόστη της εφαρμογής τους σε μηχανές όπου αποδεικνύεται ότι δεν εξασφαλίζουν οικονομική βιωσιμότητα. Τέλος, περιγράφονται οι μέθοδοι αποθήκευσης και μεταφοράς του υδρογόνου όπου διαπιστώνεται ότι δεν είναι ακόμα ικανή η αποθήκευση και η μεταφορά του υδρογόνου χωρίς την κατανάλωση μεγάλων ποσών ενέργειας. Μοναδική επιτυχία ίσως αποτελεί η μεταφορά του σε αέρια μορφή, κάτι που βρίσκεται ήδη σε εφαρμογή αλλά σε μικρό εύρος λόγω του υψηλού κόστους για τον εξοπλισμό που απαιτείται. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση του αερίου σύνθεσης. Η παραγωγή του αερίου σύνθεσης εστιάζεται αποκλειστικά στην χρήση αεριοποιητών καθώς αποτελούν την κύρια μέθοδο παραγωγής. Αναλύονται τα διάφορα είδη αεριοποιητών και η κατάσταση στην σημερινή παραγωγή αερίου σύνθεσης. Στην συνέχεια, αναλύεται η χρήση του αερίου σύνθεσης ενώ δίνεται ιδιαίτερο ενδιαφέρον στο θέμα της χρήσης του στην παραγωγή ενέργειας. Σημαντική είναι η εισαγωγή του αερίου σύνθεσης σε συστήματα συνδυασμένου κύκλου με αεριοποιητή (Integrated Gasification Combined Cycle - IGCC), τα οποία επιτυγχάνουν καλύτερους βαθμούς απόδοσης καθώς και μειωμένες εκπομπές ρύπων. Ακόμα, περιγράφονται σύγχρονες τεχνολογίες χρήσης του σε συστήματα παραγωγής ισχύος και μετατροπής ενέργειας. Τέλος, γίνεται μια αναφορά στην δυνατότητα εισαγωγής συστημάτων IGCC στην ελληνική αγορά και στα οφέλη που θα αποκομίζονταν. Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαμβάνει το υπολογιστικό μέρος της εργασίας. Τονίζεται η σημαντικότητα της μελέτης της θεμελιώδους χημικής κινητικής που περιλαμβάνει το υποσύστημα με τα στοιχεία Η, Ο, ΟΗ, ΗΟ2, Η2Ο2 και CO. Στην συνέχεια, περιγράφονται οι πιο σύγχρονοι μηχανισμοί οι οποίοι είναι ικανοί να προσομοιώσουν με μεγάλη ακρίβεια την οξείδωση μιγμάτων H2/CO. Έπονται οι προσομοιώσεις με την χρήση τριών από αυτούς τους μηχανισμούς αυτούς σε αντιδραστήρα εμβολικής ροής (plug flow reactor) και προσδιορισμοί του χρόνου καθυστέρησης ανάφλεξης για διάφορες συνθήκες και συγκρίνονται με δεδομένα πειραμάτων. Οι υπολογισμοί που πραγματοποιούνται µε βάση τα παραπάνω πειράματα γίνονται µε την χρήση του εμπορικού υπολογιστικού πακέτου χημικής κινητικής CHEMKIN 4.1 µε την βοήθεια ειδικών χημικών μηχανισμών. Κατόπιν, γίνεται ανάλυση ευαισθησίας για έναν από τους μηχανισμούς προκειμένου να ερευνηθούν οι δυνατότητες βελτίωσης του μηχανισμού για συγκεκριμένες συνθήκες.

The present diplomatic thesis refers on arithmetical investigation of hydrogen combustion and synthesis gas combustion systems and energy conversion systems. This thesis was supervised in the laboratory of Heterogeneous Mixtures and Combustion Systems in the Technical University of Athens (Zografou Campus). This thesis consists of four units. In the first unit, the problems that occur from the mismanagement of fossil fuels are presented, the energy crisis and the environmental disaster. Using hydrocarbons as the exclusive mass production fuels resulted in their quantity abatement, something that comes against the growing demand and the inability to reproduce them. Furthermore, due to the unequal existence of fossil fuels between regions, many social and political controversies have occurred. Finally, the hydrocarbon combustion is responsible for the emissions of many contaminants and gases that result in the greenhouse effect and the global increase of the temperature of the planet, and the whole pollution that accounts for the deterioration of ecosystems and the destructive effects in human’s health. The renewable energy sources are presented, which would be the solution to the problems discussed above. In addition, due to the inability to store the power that comes from the renewable sources, a mean of storing this power is needed. Apart from that, an alternative fuel is required in order to cease the use of fossil fuels. These demands are provided by the hydrogen which is discussed to a great extent. However, due to the great costs of producing pure hydrogen and as the procedure of electrolysis is not effective enough, the use of hydrogen in combination with carbon monoxide is examined. This combination is known as synthesis gas (syngas) and is studied in this thesis. In the second unit the procedures of producing hydrogen, the costs of a ‘hydrogen economy’, the possible applications, the storage systems and the transportation of hydrogen are discussed. A number of methods for producing hydrogen are provided, most of which are not effective enough. Afterwards, the costs of using hydrogen as fuel are provided. Its main application, the fuel cells is observed and the cost of introducing the fuel cells to engines proves that is not a mature enough technology for mass production. Finally, the means of storing and transporting hydrogen are presented, which provides the evidence that the storage and the transportation of hydrogen is not achieved without the consumption of great amounts of power. The only successful means of transport is in gas form, something that is already utilized but not widely due to the great costs needed. In the third unit an extensive examination of synthesis gas is provided. The production of synthesis gas is totally focused in the gasification processes which are the basic method of production. The different types of gasifiers and the present situation in the production of synthesis gas are demonstrated. Moreover, the use of synthesis gas is described with great importance given in the process of power production. The introduction of synthesis gas in Integrated Gasification Combined Cycle systems (IGCC) is of great importance, in virtue of their good efficiencies as power production systems and the fact that fewer emissions are exerted. Furthermore, other state of the art applications in the field of power production and power conversion are discussed. Finally, a citation of the possible introduction in the Greek energy market and its benefits are provided. The computational part of the thesis is included in the fourth part. Great weight is given in the study of the basic chemical kinetics that include the submechanism with the species Η, Ο, ΟΗ, ΗΟ2, Η2Ο2 and CO. Afterwards, the most modern mechanisms for simulating with great accuracy H2/CO system oxidation is provided. In addition, simulations of three of these mechanisms in plug flow reactors and assessments of ignition delay times are presented. These simulations are made in different case and are validated with experimental data. Computational data is provided by the use of the chemical kinetics computational package CHEMKIN 4.1.Furthermore, sensitivity analysis in one of these mechanisms is provided in order to investigate possible enhancement of the mechanism in specific cases