Til hovedinnhold

Tekst og foto: Albert H. Collett

Hydrogen + luft er nemlig eksplosive saker. Så eksplosive at noen av verdens fremste forskere bruker hjernene sine og millioner av prosessortimer på å finne ut hvordan de skal få kontroll på forbrenningen. En av utfordringene er å hindre “flashback” – at flammen i brennkammeret sprer seg bakover i forsyningssystemet og i verste fall sender alt til himmels.

Flashback under forsøk med hydrogenforbrenning.

Må redesigne
- Dagens gassturbiner kan ikke brukes til hydrogen på en miljøvennlig og effektiv måte. Hydrogen og naturgass har alt for forskjellige egenskaper. Å sende hydrogen inn i en slik motor, vil ødelegge den. Vi må redesigne brennkammeret, forklarer forsker Andrea Gruber på SINTEF Energi. Både han og kollega Sigurd Sannan jobber med brennkammerdesign. Potensialet er enormt. Iveren etter å lykkes, deretter. Men det ligger noen hindringer på veien.

Kontroll over turbulensen
Gruber og Sannan jobber langs hver sine løp. Felles for dem er ønsket om å lage numeriske modeller som klarer å gi en presis representasjon av forbrenningsprosessene i et brennkammer. Blandingen er viktig for den kjemiske reaksjonen, og derfor må de vite nøyaktig hva som skjer på alle tids- og lengdeskalaer i den turbulente strømningen.

- Se for deg en foss. Turbulensen i fossen blir hele tiden slått i stykker av det fallende vannet. Samtidig dannes massevis av mindre og mindre virvelstrømninger. Noe lignende skjer i et brennkammer der hydrogen møter luft. Vi må ha kontroll på hver minste virvel, og vite nøyaktig hva som skjer, forklarer Sigurd Sannan.

Enorm kapasitet…
Å få til nøyaktige nok forutsigelser krever både gode modeller og stor regnekapasitet. Metoden Andrea Gruber bruker, kalles Direct Numerical Simulation, DNS. Den gir tilnærmet hundre prosent presis beskrivelse av hva som foregår. Til gjengjeld er kapasitetskravene hinsides det meste. Regnestykket han gjennomførte i desember hadde 12.000 prosessorer i arbeid i til sammen 1,3 millioner CPU-timer. Hadde han måttet kjøpe kapasiteten på det åpne markedet, ville regnestykket ha kostet 12 millioner kroner.
Heldigvis trengte han ikke det, for SINTEF Energi samarbeider nært med Sandia National Laboratories i California. De har tilgang på den slags regnekapasitet, og Gruber har fått verdifull ny kunnskap om hvordan flammen oppfører seg.

…med amerikansk hjelp
Sandia drives av Lockheed Martin på oppdrag fra det amerikanske energidepartementet. Både Gruber og Sigurd Sannan har samarbeidet tett med dem i mange år. Akkurat nå forbereder Gruber og kollega Jackie Chen på Sandia seg på sitt neste store regnestykke for å forstå flashback bedre. For å få til det har de søkt det amerikanske energidepartementet om 100 millioner prosessortimer. Én ting er at disse regneoperasjonene ville ha kostet en milliard kroner på det åpne markedet, noe annet at slik kapasitet ikke finnes i Europa. Sandia har tilgang til Oak Ridge National Lab i USA og deres megaklynge med 224.000 prosessorer tilgjengelige der Norge på det meste kan skilte med 5.000 prosessorer ved Universitetet i Bergen….

Litt enklere
Gruber og Chens enormt ressurskrevende metode ligger i den ene enden av en skala der Computational Fluid Dymnamics, CFD, ligger i den andre. CFD gir på langt nær så presise beskrivelser. Til gjengjeld tar den inntil en 100.000-del så lang tid, er langt rimeligere og
derfor i vanlig kommersiell bruk.

Sigurd Sannan og hans kollega Alan Kerstein på Sandia samarbeider om en ny og spennende mellomting kalt LEM3D, basert på The Linear Eddy Model (LEM) utviklet av Kerstein. Akkurat som CFD, gjør LEM visse antagelser, det er nettopp essensen i modellering. Styrken til LEM er at modellen reduserer kompleksiteten ved bare å betrakte en dimensjon av gangen, men med full oppløsning i denne ene dimensjonen. Også Sannan og Kerstein jakter på den mest mulig presise beskrivelsen av de turbulente prosessene ved hydrogenforbrenning. Et skritt på veien var Torleif Weydahls doktoravhandling om LEM, beskrevet i Xergi 3/2010.

Stadig tettere
Båndene mellom Sandia og SINTEF har blitt utviklet over 25 år, og blir stadig tettere. Siste milepæl var en formell samarbeidsavtale som ble undertegnet i november 2009. Avtalen er en oppfølging av den norske regjeringens “Strong Bonds Across the Atlantic”-strategi fra 2001.

 


 

Kontakter:

Sigurd Sannan
Andrea Gruber

Sigurd Sannan:
- Vi må ha kontroll på hver minste virvel i et brennkammer med hydrogen.

Andrea Gruber:
- Å sende hydrogen inn i en vanlig gassturbin ville ødelegge den.

BIGCCS
Arbeidet med å temme hydrogen er nært forbundet med BIGCCS, det internasjonale forskningssentret for fangst, transport og lagring av CO2 som SINTEF har etablert i samarbeid med flere internasjonale partnere. Alan Kerstein sitter i vitenskapskomiteen til BIGCCS. Fra 14. til 16. juni er BIGCCS vertskap for en stor, internasjonal konferanse om temaet i Trondheim.

Også Japan
SINTEF Energi samarbeider også med den japanske forskningsinstitusjonen AIST om hydrogenforbrenning. Det har i sin tur avfødt interesse fra japansk industri, som har besøkt SINTEF på Gløshaugen. Ingen konkrete prosjekter er i gang akkurat nå, men japanerne har varslet at interessen er der, og at de kommer på nye besøk.