ACHIEVE - Advancing the Combustion of Hydrogen-AmmonIa blEnds for improVed Emissions and stability

Id call: HORIZON-JTI-CLEANH2-2023-1 Research on fundamental combustion physics, flame velocity and structure, pathways of emissions formation for hydrogen and variable blends of hydrogen, including ammonia

Ruolo di Sapienza nel progetto: Coordinatore

Responsabile scientifico per Sapienza: Francesco Creta

Dipartimento: Ingegneria meccanica e Aerospaziale

Data inizio progetto: 01/01/2024

Data fine progetto: 30/06/2027 

Abstract del progetto:

Per mitigare l'impatto dei gas serra sull'ambiente e sul clima, la generazione di energia mediante turbine a gas deve rapidamente e drasticamente ridurre le proprie emissioni. Ciò richiede l'abbandono della combustione tradizionale di gas naturale a favore dell'impiego di combustibili senza carbonio. ACHIEVE mira a sviluppare lo spettro di conoscenze fondamentali utili a consentire una transizione verso l'impiego di miscele di combustibili non convenzionali privi di carbonio, basate su idrogeno (H2) e ammoniaca (NH3), che preveda contemporaneamente basse emissioni di ossidi di azoto (NOx) e un'operazione stabile delle turbine a gas. ACHIEVE si propone di affrontare il problema da tre diverse prospettive: (a) attraverso attività sperimentali e (b) simulazioni numeriche, che si prefiggono entrambe di portare la maturità tecnologica di combustori a basse emissioni da un livello TRL2 ad un livello TRL4, nonché (c) attraverso un impegno a livello di sistema con 'original equipment manufacturer' (OEM), utenti finali e stakeholder. Le campagne sperimentali dovranno esplorare i limiti di stabilità del combustore, le emissioni e gli aspetti fondamentali della combustione delle miscele di idrogeno, ad un livello crescente di complessità costruttiva dei bruciatori ed a condizioni operative e potenze progressivamente vicine a quelle di impiego in impianti turbogas. Le attività numeriche affronteranno invece i molteplici aspetti connessi alla modellistica della combustione delle miscele di idrogeno, a partire dalla cinetica chimica sino ai processi fisici di base che governano la dinamica della fiamma. Verranno sviluppati modelli di nuova concezioni basati su approcci 'thickened flame' accoppiati a 'virtual chemistry', modelli di sottogriglia per Large Eddy Simulation (LES) che includano effetti di instabilità termodiffusive della fiamma, nonché analisi di stabilità mirate a comprendere e prevedere il meccanismo di formazione di NOx, i limiti di 'lean blow off' (LBO), i limiti di flashback e le instabilità termoacustiche. Verranno inoltre sviluppate tecniche di monitoraggio in tempo reale a carattere predittivo per i sistemi di combustione d'interesse pratico. Infine, in un contesto di sinergia con l'industria, gli OEM e altri gruppi target verranno messi nelle condizione di sfruttare i risultati di ACHIEVE con i necessari stakeholder per favorire la transizione verso combustibili privi di carbonio per la generazione di energia.

Sapienza coordinerà ACHIEVE e guiderà tutte le attività di gestione del progetto. Inoltre, Sapienza avrà un ruolo chiave in diverse attività numeriche focalizzate sulla comprensione dei processi di base della combustione di miscele di idrogeno e ammoniaca. In particolare, le attività di Sapienza si concentreranno su (a) riduzione e analisi dei meccanismi di cinetica chimica e (b) modellazione LES di fiamme premiscelate intrinsecamente instabili. La tecnica 'Computational Singular Perturbation' (CSP) sarà impiegata per sviluppare una famiglia di meccanismi ridotti adatti a diverse miscele e condizioni, che saranno poi validati e analizzati a fondo identificando i processi chimici più rilevanti. Parallelamente, Sapienza svilupperà anche un nuovo modello di combustione 'data-driven', capace di tprevedere l'effetto delle instabilità termo-diffusive, che sarà ampiamente convalidato sia su configurazioni semplici che sui bruciatori utilizzati nelle attività sperimentali di ACHIEVE.