Les turbines à gaz passent au vert grâce aux injecteurs d’hydrogène

À la pointe de l’innovation en matière d’énergie propre, le Southwest Research Institute développe des systèmes de combustion d’hydrogène pour les turbines à gaz destinées à la production d’électricité.

Ces conceptions révolutionnaires s’attaquent au problème du retour de flamme, un problème courant dans les systèmes alimentés à l’hydrogène, où la flamme de la chambre de combustion peut se propager inopinément dans la buse, ce qui risque d’endommager l’équipement.

L’utilisation de l’hydrogène comme combustible présente une multitude d’avantages, notamment sa capacité à ne produire aucune émission de carbone lors de la combustion. Cependant, sa nature hautement réactive pose des défis importants, le rendant plus difficile à manipuler que le gaz naturel conventionnel ou les combustibles liquides couramment utilisés dans les turbines à gaz.

Alors que le monde est à la recherche de solutions énergétiques plus écologiques, les efforts du Southwest Research Institute pour exploiter le potentiel de l’hydrogène pourraient révolutionner la production d’énergie.

« Avec l’hydrogène pur, les conceptions traditionnelles à faibles émissions sont très sensibles à un phénomène dommageable connu sous le nom de retour de flamme« , a déclaré Griffin Beck, directeur de la section Machines de propulsion et d’énergie de SwRI. « Ce phénomène se produit lorsque la flamme dans la chambre de combustion revient dans la tuyère, ce qui peut endommager l’équipement.« 

Pour remédier à ce problème, le SwRI étudie de nouveaux moyens de mélanger l’air et l’hydrogène dans la tuyère tout en évitant le retour de flamme. Les conceptions, qui visent également de très faibles émissions d’oxyde d’azote (NOx), ont été générées dans le cadre d’un projet soutenant le développement d’un système de combustion alimenté à 100 % par de l’hydrogène pour une turbine à gaz industrielle.

L’une des raisons pour lesquelles l’hydrogène est un combustible alternatif si intéressant est qu’il ne produit pas d’émissions de dioxyde de carbone, mais des NOx. Toutefois, si l’air et l’hydrogène sont mélangés efficacement dans la buse, les émissions de NOx sont considérablement réduites », a déclaré M. Beck.

Les buses fonctionnent en mélangeant l’air et l’hydrogène par de petites voies perpendiculaires. Cette conception permet à l’air et à l’hydrogène de se mélanger rapidement avant d’être expulsés de la buse et d’entrer dans la chambre de combustion à des débits qui empêchent le retour de flamme.

« Lorsque la bonne quantité d’air et d’hydrogène est très bien mélangée, la quantité d’émissions de NOx est très faible« , a déclaré M. Beck. « En outre, l’air et l’hydrogène sont expulsés si rapidement de la tuyère que la flamme dans la chambre de combustion ne peut pas reculer.« 

La conception et l’analyse des tuyères ont été réalisées en mettant à profit la vaste expérience du personnel des divisions Génie mécanique et Ingénierie des groupes motopropulseurs de SwRI. Les membres de l’équipe interdisciplinaire se sont appuyés sur la dynamique des fluides numérique ainsi que sur des outils d’apprentissage automatique pour générer, analyser et optimiser la conception des tuyères.

Pour résoudre ce problème, nous avons utilisé les outils de calcul et d’analyse de l’Institut pour concevoir et modéliser cette technologie », a déclaré M. Beck. « Les simulations que nous avons effectuées sont extrêmement intensives en termes de calcul, nécessitant des sections entières de notre cluster de calcul haute performance pendant des jours pour résoudre ces problèmes de calcul. Cela a permis à nos ingénieurs de prendre des idées uniques et de les appliquer à ce défi« .

Légende illustration : Le Southwest Research Institute étudie l’utilisation de l’hydrogène comme carburant pour les turbines à gaz utilisées pour la production d’électricité. Les modèles comprennent une buse qui mélange rapidement l’air (bleu foncé sur l’image) et le carburant (jaune sur l’image). Les conceptions peuvent empêcher le retour de flamme, un problème courant dans la production d’énergie à base d’hydrogène, où la flamme de la chambre de combustion se propage dans la buse, ce qui peut être dangereux et endommager l’équipement.

Crédit image : Southwest Research Institute