Blog

Aug 24, 2023

Une « étude séminale » : examen des résultats du mélange d'hydrogène dans un moteur alternatif

Regardez notre entretien individuel ci-dessous avec le Dr Andrew Maxson d'EPRI sur une récente

Regardez notre entretien individuel ci-dessous avec le Dr Andrew Maxson de l'EPRI sur un récent test de mélange d'hydrogène dans le Michigan, qui a vu un mélange réussi de 25 % d'hydrogène en volume dans un moteur alternatif connecté au réseau.

WEC Energy Group (WEC), basé au Wisconsin, s'efforce de réduire les émissions dans ses filiales énergétiques du Midwest. L'entreprise a pour objectif de devenir neutre en carbone d'ici 2050 et de réduire ses émissions de 80 % d'ici 2030, par rapport aux niveaux de 2005.

À cette fin, le WEC explore l'utilisation de carburants à faible émission de carbone. L'une de ses filiales, Upper Michigan Energy Resource Corporation (UMERC), a organisé une démonstration de mélange hydrogène-gaz naturel à la centrale électrique AJ Mihm. La démonstration, menée à l'automne 2022, impliquait de mélanger de l'hydrogène dans l'un des trois moteurs à piston Wärtsilä de 18,8 MW connectés au réseau de l'usine.

Les partenaires, dont l'Electric Power Research Institute (EPRI), ont démontré un mélange de 25 % d'hydrogène par volume de carburant dans le moteur testé. Les autres membres de l'équipe du projet comprenaient Blue Engineering, Burns & McDonnell, Certarus, Lectrodryer et Mostardi Platt. L'EPRI a publié les résultats de la démonstration de mélange en mars, et nous avons eu l'occasion d'en discuter avec le Dr Andrew Maxson, un responsable de programme senior de l'association à but non lucratif.

Lien vers le résumé exécutif du projet de mélange

Appelant cela une "étude séminale", Maxson a déclaré qu'il s'agissait du premier test de mélange d'hydrogène sur un moteur alternatif à l'échelle commerciale, connecté au réseau et fonctionnant.

Les moteurs alternatifs ont une flexibilité supérieure en matière de carburant et de fonctionnement par rapport aux turbines à gaz, a-t-il déclaré. Ils peuvent démarrer rapidement et accélérer pour équilibrer le réseau dans les zones à forte pénétration des énergies renouvelables. Les moteurs brûlent pratiquement n'importe quel carburant et peuvent donc être installés dans des endroits où la qualité du carburant n'est pas excellente. Maxson a déclaré que c'était un facteur dans le choix de l'usine et de l'emplacement pour le test de mélange.

"Dans cette région particulière, il y a du gaz naturel à basse pression et une qualité de gaz naturel variable, que les moteurs peuvent mieux gérer que les turbines", a déclaré Maxson. "C'était donc l'une des principales raisons pour lesquelles ils ont opté pour des moteurs."

Parce que l'hydrogène est si inflammable et peut fuir facilement, un plan détaillé a été suivi pour assurer la sécurité sur le site.

Les conditions de fonctionnement sécuritaires du moteur ont été identifiées en amont, ainsi que les actions correctives à mettre en place si les indicateurs clés de performance dépassaient les seuils établis.

"Nous avons pris cela très au sérieux et nous avions une équipe expérimentée impliquée dans cela", a déclaré Maxson.

Tous les sous-traitants visitant l'usine d'AJ Mihm devaient suivre une orientation en ligne sur l'environnement, la santé et la sécurité pour confirmer que tout le personnel sur place connaissait les politiques et procédures de sécurité existantes de l'usine.

Des formes de communication écrites et verbales ont été utilisées, avec des panneaux placés dans toute l'usine pour indiquer les zones dangereuses ou les endroits où un équipement de protection individuelle supplémentaire était nécessaire.

Une zone d'accès restreint a été placée autour du périmètre de l'équipement du système de mélange d'hydrogène. L'emplacement de l'équipement de mélange, importé de l'extérieur de l'État, a été déterminé en fonction de l'accès à l'intérieur de l'installation, des routes, de la proximité des raccordements au gaz combustible et du moteur préféré, en plus de répondre aux exigences de la National Fire Protection Association 2 - Hydrogen Technologies Code (NFPA 2).

Tout l'équipement et la tuyauterie qui touchaient l'hydrogène pur étaient certifiés selon le code de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME). Un ruban de détection de fuite d'hydrogène - un ruban jaune qui devient noir si l'hydrogène entre en contact avec lui - a été appliqué sur tous les raccords à bride pour les tuyaux contenant soit de l'hydrogène pur, soit le mélange hydrogène/gaz naturel. Toutes les connexions à brides ont été inspectées avant chaque démarrage du moteur et après chaque arrêt ou voyage du moteur.

Lorsque le moteur fonctionnait, personne n'était autorisé à entrer dans la salle des machines. Des moniteurs de détection d'hydrogène y ont été placés pour détecter d'éventuelles fuites d'hydrogène.

Les membres de l'équipe travaillant directement avec l'équipement d'approvisionnement en hydrogène, de réduction de pression et de mélange de carburant devaient porter des moniteurs personnels d'hydrogène gazeux dans le cadre de leurs procédures d'exploitation normales.

En fin de compte, il n'y avait aucune preuve de fuites d'hydrogène lors des tests, y compris du moteur lui-même.

"Nous avons été assez prudents et nous avons beaucoup appris", a déclaré Maxson. "Je pense que nous avons appris beaucoup de leçons que nous allons transmettre à l'industrie sur la gestion de l'hydrogène en conséquence."

Le moteur alternatif Wärtsilä de 18,8 MW connecté au réseau a été testé à différentes charges de moteur et pour fonctionner avec divers mélanges de carburant, allant de 10 à 25% d'hydrogène en volume.

Alors que différents niveaux d'hydrogène étaient testés, Maxson a souligné qu'il était important pour les équipes de voir comment le moteur fonctionnerait sans aucune modification mécanique. Il s'avère que le moteur, sur un mélange à 25% d'hydrogène (le % le plus élevé testé), n'a pas nécessité de modifications mécaniques. Maxson a déclaré que les seules modifications apportées impliquaient un réglage manuel à des charges moteur accrues.

Pour les cycles de charge du moteur à 50 %, le réglage du moteur n'a pas été effectué car le moteur était capable de fonctionner de manière fiable avec des mélanges d'hydrogène jusqu'à 25 % en volume.

Pour les cycles de charge du moteur à 75 % et 100 %, la pression d'air de suralimentation et le calage de l'allumage ont été ajustés pour maintenir un fonctionnement stable du moteur.

Pour chacun des cycles de charge du moteur à 50 %, 75 % et 100 %, le moteur a pu atteindre le point de consigne de pleine charge pour tous les mélanges d'hydrogène, à l'exception du mélange d'hydrogène à 25 %.

À ce mélange, le moteur n'a pu produire que 95% de sa capacité. Comme l'a expliqué Maxson, les moteurs ont un volume fermé et l'hydrogène est beaucoup moins dense en énergie que le gaz naturel. Par conséquent, faire entrer suffisamment d'hydrogène dans le cylindre [du moteur] pour produire toute la puissance que le moteur peut fournir est un défi.

"Nous pensions que lorsque nous étions à 25% de mélange, nous n'allions pas être en mesure de fournir la pleine capacité du moteur", a déclaré Maxson. "Et nous nous attendions à une réduction de 15 %. Et nous n'avons vu que 5 %, ce dont tout le monde était ravi, que le moteur était encore capable de produire autant de puissance."

Les équipes ont mesuré les émissions, le taux de chaleur et l'efficacité à diverses charges de moteur et mélanges d'hydrogène, par rapport à une référence de gaz naturel à 100 %.

Comme prévu, les niveaux de dioxyde de carbone ont diminué à mesure que des niveaux croissants d'hydrogène ont été introduits. Le CO2 a été réduit d'environ 10 % à 25 % en volume de co-combustion d'hydrogène.

"C'était tout ce à quoi nous nous attendions, mais nous étions heureux de voir", a déclaré Maxson. "C'est toujours bien quand les mesures confirment vos attentes."

Le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d'azote (NOx) ont également été mesurés à la sortie du moteur et à la sortie du système de réduction catalytique sélective (SCR) vers la cheminée. L'un des problèmes environnementaux liés à l'utilisation de l'hydrogène est qu'il brûle plus chaud que d'autres combustibles comme le gaz naturel, il peut produire plus de NOx thermiques.

Lors du mélange d'hydrogène sans contrôle des NOx, Maxson a déclaré que les équipes avaient constaté une augmentation des NOx sortant du moteur dans certains cas. Mais après les contrôles SCR NOx, Maxson a déclaré qu'il y avait peu de changement dans ces émissions sortant de la cheminée par rapport à la ligne de base.

"Ce n'était pas dramatique", a déclaré Maxson, parlant des émissions de NOx incontrôlées. "Et nous avons changé un peu le fonctionnement du moteur en augmentant le rapport air-carburant afin qu'il brûle un peu moins cher. Cela réduit une partie de cette température plus élevée qui sort."

Émissions non contrôlées

• À 50 % de charge du moteur : les émissions de CO ont diminué de 21 à 35 % grâce à une combustion plus rapide et plus complète avec des taux de mélange d'hydrogène accrus. En revanche, les NOx ont augmenté de 21 à 74 % à une teneur en hydrogène plus élevée en raison de l'augmentation des températures des cylindres. Aucun réglage du moteur n'a été effectué lors de ces essais.

• À 75 % de charges de moteur : le moteur a été réajusté après avoir effectué la référence pour réduire les émissions de NOx, ce qui a entraîné une baisse des émissions de NOx à 10 % et 15 % en volume de mélanges d'hydrogène, puis une augmentation de 20 % au-dessus de la référence à 25 % en volume d'hydrogène. Les équipes ont noté qu'un réglage supplémentaire du moteur aurait pu être fait pour maintenir des niveaux d'émissions de NOx encore plus bas. Les émissions de CO ont diminué de 10 à 25 % au cours des tests, les réductions augmentant avec la teneur en hydrogène.

• À une charge moteur de 95 % : les émissions de CO et de NOx étaient nettement inférieures à la valeur de référence, car le moteur était réglé manuellement pour réduire les NOx et le CO a été réduit en partie en raison de la faible teneur en carbone du carburant.

• À une charge moteur de 100 % : les émissions de CO ont augmenté de 20 % pendant les essais à pleine charge d'hydrogène à 12 % en volume, car le rapport air-carburant et le calage de l'allumage ont été modifiés pour maintenir les NOx à un faible niveau. Les émissions de NOx étaient nettement inférieures à la valeur de référence de 58 %.

Émissions contrôlées

Les émissions de CO et de NOx de la cheminée après les contrôles d'émissions ont été maintenues bien en deçà des limites d'autorisation réglementaires de l'usine dans tous les cas et dans tous les essais.

• À 50 % de charges moteur : les émissions de CO ont diminué jusqu'à 15 % et les NOx ont diminué de 13 à 17 %.

• À 75 % de charges moteur : les émissions de CO ont diminué de 12 à 18 % et les NOx ont augmenté de 10 à 20 %.

• À 95 % de charge moteur : les émissions de CO ont augmenté de 18 %, tandis que les NOx ont diminué de 2,5 %.

• À 100 % de charge du moteur : les émissions de CO ont augmenté de 54 % lors des essais à pleine charge avec 12 % d'hydrogène en volume, tandis que les émissions de NOx étaient comparables à la valeur de référence.

Efficacité

Au mélange à 25 % d'hydrogène, le taux de chaleur et l'efficacité étaient presque identiques par rapport à la référence de gaz naturel. Du point de vue des performances thermiques, Maxson a déclaré que le moteur fonctionnait essentiellement de la même manière.

"Dans certains cas, ils étaient un peu plus élevés - dans certains cas, un peu plus bas - mais rien d'appréciable", a déclaré Maxson. "C'était donc une excellente nouvelle que l'hydrogène n'ait pas vraiment d'impact sur l'efficacité d'un moteur."

Maxson a déclaré que le test a aidé à fournir des données au fabricant de moteurs Wärtsilä, qui peut utiliser ces résultats pour accélérer le développement de sa flotte compatible avec l'hydrogène. Le réglage manuel pour s'adapter aux volumes croissants d'hydrogène pendant les essais serait idéalement mis en œuvre dans la conception du futur moteur de l'entreprise.

Wärtsilä vise à commercialiser des moteurs à hydrogène alimentés à 100 % d'ici 2025.

Plusieurs changements mécaniques seront nécessaires pour que les moteurs puissent gérer 100% d'hydrogène, a déclaré Maxson.

L'un d'eux consiste à modifier le taux de compression pour réduire les températures, évitant ainsi les augmentations de NOx et les cognements du moteur. Maxson a déclaré qu'un autre ajustement pourrait être la mise en œuvre d'une combustion de pré-chambre pour mieux contrôler l'allumage.

La tuyauterie devra également être certifiée conforme au code pour 100 % d'hydrogène afin d'éviter les fuites.

"Sur le long terme, l'hydrogène peut également détruire certains métaux en raison de la fragilisation", a déclaré Maxson. "Vous devez donc utiliser les bons matériaux pour pouvoir gérer 100% d'hydrogène entrant et sortant du moteur."

REMARQUE : Nous acceptons actuellement les soumissions de conférenciers pour des présentations à POWERGEN International du 23 au 25 janvier 2024 à la Nouvelle-Orléans. Les sujets incluent la co-combustion d'hydrogène à travers notre morceau Unlocking Hydrogen's Power Potential. Soumettez un résumé pour avoir une chance de rejoindre notre liste de conférenciers ici.