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Turbina a gás

Trabalho realizado por:

Beatriz Gomes - 2017258451
Gonçalo Pardal – 2017270663

Neste trabalho, sugerimos algumas alterações à página das turbinas a gás, sendo a principal alteração a criação de uma secção denominada “Classes”, em que uma das subseções foca-se nas turbinas que utilizam hidrogénio como combustível. Esta subseção deixa-se em aberto para que no futuro outros colegas possam completar com outros combustíveis ou com outro tipo de turbinas.

Gostaríamos de sugerir a alteração da organização das secções, sugerindo a seguinte organização, incluindo já a secção criada:

  1. Definição e Funcionamento
  2. Ciclo simples e Ciclo combinado
  3. Ciclo termodinâmico
  4. Projeto
  5. Classes
  6. Vantagens e Desvantagens
  7. Custos e Eficiência
  8. Características e condições de operação
  9. Medidas de segurança e controlo do equipamento
  10. Classificação/Aplicações Industriais
  11. Referências

Na antiga secção dos Custos, sugerimos a remoção de um dos links uma vez que são iguais e na secção da Eficiência, de modo a fornecer ao leitor valores diretos das eficiências, sugerimos acrescentar a seguinte frase:
Para turbinas a operar com ciclo simples, o seu rendimento ronda os 35%, enquanto que para os ciclos combinados ronda os 55%.

5.1. Turbinas a hidrogénio

5.1.1. Definição e Funcionamento

Dentro das turbinas a gás, nas últimas décadas tem surgido a utilização de hidrogénio como combustível para a criação de energia, sendo estas turbinas denominadas turbinas a hidrogénio. A estrutura destas é em tudo semelhante às turbinas convencionais, porém existem algumas alterações que são necessárias fazer ao equipamento.

5.1.2. Hidrogénio como combustível

A maioria do hidrogénio produzido mundialmente para uso industrial é de origem fóssil, que leva à libertação de CO₂, porém existem outras vias de produção tais como:

O método mais economicamente viável para produção de hidrogênio industrialmente é o método de reforma do gás natural (steam reforming) que consiste na produção de gás sintético (syngas). Syngas é uma mistura de hidrogênio, monóxido de carbono e por vezes dióxido de carbono, cuja principal aplicação é o seu uso na produção de eletricidade. O hidrogênio produzido por este processo denomina-se “hidrogênio cinzento” quando o CO₂ gerado é libertado para a atmosfera; quando este poluente é captado (CGS) denomina-se por “hidrogênio azul”.[^1]

Fluxograma do Processo de Steam Reforming

Figura 1: Produção de hidrogênio através do processo de steam reforming do gás natural. [2]

Figura 1- Produção de hidrogénio através do processo de steam reforming do gás natural.[2]

Legenda do Fluxograma:

  • Natural Gas → Cleaning (ZnS, ZnO) → Reforming → Water Gas Shift (CO+H₂O → H₂+CO₂) → Carbon Capture → Purification → Hydrogen
  • Steam → Heat Recovery → Water
  • Emission: 7-29 kg CO₂/kg H₂; Energy efficiency: 75%;
    Energy cost of distributed H₂ prod.: $16-29/GJ; Distributed/Centralized H₂ cost: ~3

5.1.3. Motivações de implementação

O desenvolvimento destas turbinas tem sido proporcionado pelos avanços tecnológicos e científicos e pela necessidade de encontrar um combustível que substitua a utilização dos combustíveis fósseis. Todos os processos que geram gases que contribuam para o efeito de estufa, nomeadamente CO₂ e CH₄, devem ser reduzidos ao máximo e, em alternativa, usar processos ambientalmente favoráveis.

5.1.4. Funcionamento das turbinas

Em comparação com o gás natural, o hidrogênio queima mais rápido, é mais reativo, possui maior temperatura de combustão e tem 1/3 da densidade energética do gás natural, ou seja, é necessário bombear um caudal maior de hidrogênio.[^3]

As possíveis alterações nos componentes do processo dependem da quantidade de hidrogênio que existe na alimentação. Para misturas até 30%, não são necessárias grandes mudanças aos componentes da turbina. Para percentagens maiores deste gás, já é preciso fazer alterações à turbina, nomeadamente à câmara de combustão, e aos sistemas de controlo, como por exemplo, os sistemas de deteção de gás e incêndios, ventilação, troca de válvulas e tubagens.[^4,^5]

Como exemplo de uma alteração feita para adaptar estas turbinas a hidrogênio, a empresa Kawasaki, de forma a mitigar os danos causados pela elevada temperatura da chama, decidiram aplicar uma camada de material cerâmico aos bocais dos injetores de combustível. Para atacar a problemática de formação de compostos NOₓ, desenvolveu-se uma técnica de injeção de combustível através de mini orifícios, de modo a permitir que o combustível queime de modo mais compacto. [4,6]

![Gas turbine](Gas turbine)
Combustor
![Low-NOx hydrogen burner](Low-NOx hydrogen burner)

Figura 2: Representação esquemática dos mini orifícios presentes na câmara de combustão.[4]

Figura 2- Representação esquemática dos mini orifícios presentes na câmara de combustão.[4]

5.1.5. Casos Reais de aplicações?

Em setembro de 2017, na ilha portuária de Kobe, no Japão, foi inaugurado um sistema de cogeração, que tinha na base do seu funcionamento uma turbina a gás natural e hidrogênio. Este sistema tinha como objetivo fornecer energia elétrica e térmica às instalações hospitalares e outras instalações públicas.

Em abril de 2018, conseguiu-se operar a turbina exclusivamente com hidrogênio. [7]

5.1.6. Vantagens e desvantagens?

Vantagens:

  • Não existe emissão de CO₂ nem de outros gases de efeito de estufa para a atmosfera, apenas se gera energia e produz-se água; [3]
  • É um sub-produto de vários processos, podendo ser aproveitado, algo que é economicamente rentável, ao contrário de outros combustíveis.

Desvantagens:

  • Combustão instável;
  • Aumento das emissões de compostos NOₓ;
  • É preciso passar o hidrogênio à fase líquida de modo a facilitar o seu transporte.
- devido à sua rápida combustão e formação de chama, existe o perigo de destruir a câmera de combustão e o bocal do injetor. [3]

Referências

[1] - Siemens Gas and Power. Hydrogen power with Siemens gas turbines Reliable carbon-free power with flexibility. Published online 2020:1-22.

[2] - Demirel Y. Technoeconomics and Sustainability of Renewable Methanol and Ammonia Productions Using Wind Power-based Hydrogen. J Adv Chem Eng. 2015;5(3). doi:10.4172/2090-4568.1000128

[3] - https://www.siemens-energy.com/global/en/news/magazine/2019/hydrogen-capable-gas-turbine.html, consultado em fevereiro de 2020

[4] - https://global.kawasaki.com/en/stories/hydrogen/index.html, consultado em fevereiro de 2020

[5] - https://www.ge.com/power/gas/fuel-capability/hydrogen-fueled-gas-turbines, consultado em fevereiro de 2020

[6] - https://global.kawasaki.com/en/corp/newsroom/news/detail/?f=20151221_2830, consultado em fevereiro de 2020

[7] - https://www.youtube.com/watch?v=dC7AZWHC2UM, consultado em fevereiro de 2020