Основу современной энергетики составляют уголь, нефть и природный газ. Именно эти ископаемые ресурсы обеспечивают большую часть энергии в мире, питая заводы, транспорт, системы отопления и электростанции. Однако из-за их повсеместного использования растет концентрация парниковых газов в атмосфере. Кроме того, запасы углеводородов ограничены, а их добыча с каждым годом требует все больших затрат и освоения труднодоступных месторождений.
Мировая энергетика активно ищет топливо, которое позволило бы сохранить привычную тепловую генерацию, но без пагубного воздействия на климат и здоровье людей. Наиболее перспективным вариантом считается водород. Единственным продуктом его реакции с кислородом выступает водяной пар. Кроме того, водород при сжигании выделяет почти в три раза больше тепла, чем бензин, и в четыре раза больше, чем метан. Это значит, что для получения той же мощности нужно меньше топлива, снижаются затраты на его хранение и транспортировку. Крупнейшие мировые энергетические компании рассматривают водород как главное топливо будущего.
Однако его массовому внедрению мешает то, что существующие газотурбинные установки, которые вырабатывают электроэнергию и тепловую мощность, спроектированы под природный газ. Перевести их на водород без предварительной адаптации невозможно, поскольку физика горения кардинально различается.
Ученые Пермского политехнического университета смоделировали горение водорода в газотурбинной установке в условиях, максимально приближенных к реальным. Они впервые в России получили точные значения, при которых топливо стабильно сгорает и не повреждает оборудование. Это позволит инженерам перевести существующие турбины на экологически чистый водород.
В большинстве существующих исследований горение топлива изучали на упрощенных моделях и лабораторных установках, плоских горелках и закрытых камерах без движения газа. В них можно быстро проводить расчеты, однако такие условия не соответствуют реальной работе турбины.
Пермские ученые пошли по другому пути и построили 3D-модель камеры сгорания со всеми ее элементами. Они учли все конструктивные особенности, чтобы приблизить модель к реальной турбине. Помимо этого, ученые впервые соединили все сложные процессы движения воздуха, его смешения с топливом и образования вредных веществ. Входные параметры задали такими же, как у реально работающей газотурбинной установки.
Также ученые сделали модель очень детальной, разбили камеру на множество мельчайших участков и просчитали, что происходит в каждом из них. Такой подход позволил отследить все процессы, происходящие внутри оборудования.
Чтобы понять, при каких условиях водород остается стабильным, в цифровой модели начали менять расход топлива и воздуха, замеряя скорость потока газов и движения пламени. Сравнивая их, можно понять, остается огонь на месте или начинает менять свое положение в камере сгорания. Если он смещается, то повреждает оборудование или может погаснуть. Именно по этим параметрам определяют, как правильно настроить подачу топлива и воздуха для безопасной работы установки.
В результате ученые нашли точные значения, при которых горение водорода остается стабильным. Проверив разные режимы подачи топлива и воздуха, они увидели, что в оптимальных условиях положение пламени фиксированное, температура на выходе из камеры соответствует норме, а риск перегрева оборудования отсутствует. Это значит, что инженеры могут использовать полученные цифры для настройки существующих турбин, спроектированных под природный газ.
В ходе тестирования ученые также определили объемы выбросов оксидов азота в процессе горения. Эти вещества появляются при высоких температурах и в больших количествах очень опасны для здоровья. Расчеты показали, что в самой горячей зоне камеры их концентрация еще заметна, но на выходе она падает почти до нуля. При правильной настройке водородная турбина практически не дает вредных выбросов.
Решение пермских ученых даст возможность перевести существующие турбины с природного газа на водород без огромных затрат на разработку новых технических решений.
