Ammoniakk inneholder ikke karbon, er lett å lagre og frakte, og det finnes allerede et globalt nettverk for produksjon og distribusjon. Det gjør ammoniakk til en av de mer praktiske løsningene for transport og lagring av hydrogen, et fossilfritt brensel som kan brukes der det trengs prosessvarme eller kraft. Problemet har alltid vært forbrenningen.
Ammoniakk brenner sakte og motvillig, og nitrogenet i molekylet ender gjerne opp som nitrogenoksider (NOx), en skadelig forurensning, og lystgass (N2O), en klimagass som er mange ganger sterkere enn CO2. Gassturbiner er bygd rundt korte, intense flammer, og det gjør begge problemene verre. Derfor har det meste av forskningen så langt handlet om å blande ammoniakk med hydrogen eller metan, eller å «krakke» (spalte) deler av den til hydrogen før forbrenning, for å temme den.
I september publiserte SINTEF Energi og industripartneren Siemens Energy en løsning på dette problemet i en åpent tilgjengelig artikkel. Artikkelen i tidsskriftet Applications in Energy and Combustion Science beskriver den første testen av en gassturbinbrenner som fra starten er utformet for ren, ukrakket ammoniakk ved trykk opp til 10 bar, et område som er relevant for gassturbiner i praktisk drift. Tidligere forsøk med ren ammoniakk i faglitteraturen gikk ikke høyere enn 4–5 bar.
Dette viser resultatene
Brenneren ble testet i SINTEFs HIPROX-laboratorium i Trondheim. Dette er et unikt høytrykksanlegg for forbrenning som kan kjøres med mange kombinasjoner av brenselsblandinger og oksidasjonsmidler, og som er bygd slik at forholdene i en gassturbin kan gjenskapes. Forsøkene ble kjørt ved trykk opp til 10 bar, og brenneren gikk stabilt under mange ulike driftsforhold. Trykket er viktig fordi gassturbiner går ved høyt trykk, og fordi NOx-dannelsen fra ammoniakk er avhengig av trykket. Resultater fra laboratorieoppsett med lavt trykk lar seg derfor ikke overføre.
Ved det beste driftspunktet ga brenneren 47 milliondeler (ppm) NOx, rundt 1 ppm N2O og ingen målbar uforbrent ammoniakk. Enkelt sagt ble nitrogenet i brenselet for det meste til ufarlig nitrogengass, klimagassen N2O holdt seg nær null, og ingen giftig ammoniakk slapp ut med avgassen. Det er gode nyheter for alle som vil fyre en gassturbin med ammoniakk.
Teamet viste også at brenneren kan startes på naturgass og deretter gå over til ammoniakk uten at det dannes hydrogencyanid, et giftig biprodukt som er observert i andre brennere. For et kraftverk betyr det at oppstarten kan følge en kjent rutine i stedet for en ny.
Lærdom fra kullkraften
Brenneren bruker et gammelt triks fra kullkraftverk, der nitrogenet i brenselet skaper det samme problemet. Løsningen der er å brenne i to trinn: først med for lite luft, slik at nitrogenet i brenselet blir til ufarlig nitrogengass og ikke NOx, og deretter med resten av luften for å gjøre jobben ferdig. Det andre trinnet skjer raskt, slik at varmen ikke rekker å danne ny NOx.
Det viste seg at det var like viktig å styre varmen som å styre luften. Kalde flater hindrer N2O i å brytes ned og etterlater uforbrent ammoniakk. Teamet bygde derfor brenneren med metallvegger som bare kjøles så mye som materialet krever.
Hovedkomponentene ble 3D-printet hos Siemens Energy i Finspång i Sverige.
Et fruktbart samarbeid mellom industri og forskning
Brenneren ble utviklet hos Siemens Energy av et team ledet av Karl Johan Nogenmyr, som er førsteforfatter av artikkelen. Designet bygger på ti år med forskning på forbrenning av ammoniakk, blant annet en serie forsøk som sjefforsker Mario Ditaranto har ledet ved SINTEFs HIPROX-anlegg siden 2021. Mange av effektene var allerede observert i små laboratorieforsøk. HIPROX viste hvordan de arter seg under forhold som ligger tett opp til forholdene i en gassturbin, og ga utviklerne resultater de trygt kunne bygge videre på.
«All lærdommen fra de siste årenes forsøk med ammoniakk er bygd inn i denne brenneren: Gi flammen tid, tilfør luften trinnvis og hold veggene varme. Å se alt dette virke sammen i én brenner ved 10 bar er et reelt skritt mot ammoniakkfyrt kraftproduksjon», sier Ditaranto.
Neste steg for teamet er å studere varmeoverføringen gjennom brennerveggene og måle hvor lenge gassene oppholder seg i den oksygenfattige «primærsonen». De skal også kjøre detaljerte datasimuleringer for å forstå prosessen bedre.
