Evaluation of the effect of using hydrogen in the co-combustion of natural gas

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA nível mundial, a subida média da temperatura na superfície terreste, está a gerar uma grande preocupação. Uma das principias causas é devido ao aumento das emissões dos gases de efeito de estufa (GEE). Para mitigar esta tendência de subida, as fontes de energia renováveis aliadas à redução da participação dos combustíveis fósseis no balanço energético de cada país, têm um papel fundamental. O objetivo primordial deste trabalho é avaliar tecnicamente o efeito da utilização do hidrogénio na co-combustão do gás natural. O hidrogénio verde é um combustível limpo, com alto poder calorífico superior (141,78 MJ/kg a 25oC e 1 atm). Pode ser produzido a partir da eletrólise da água que consiste num processo em que a produção de hidrogénio é realizada a partir de fontes de energia renováveis, como a hidráulica, a eólica e a solar fotovoltaica.Neste estudo, em primeiro lugar, é apresentada uma revisão de literatura dos atuais tipos de hidrogénio, dos principais mecanismos de obtenção de hidrogénio verde e das atuais tecnologias de transporte, armazenamento e distribuição do hidrogénio verde. Seguidamente são calculadas várias propriedades associadas à mistura de várias percentagens de hidrogénio com o gás natural. As propriedades da mistura calculadas são: o poder calorífico, o índice de Wobbe, a temperatura adiabática de chama, a temperatura de condensação dos produtos da combustão, a emissividade da chama, a razão ar-combustível, a influência do aumento de oxigénio na composição do ar em vários parâmetros, os limites de inflamabilidade e as emissões de CO2 e Nox para a atmosfera. Por último são feitas duas análises económicas relativamente a dois projetos de produção de hidrogénio verde de modo a colmatar as necessidades de um forno intermitente de 200 kW e de um conjunto de equipamentos de uma empresa ligada ao ramo cerâmico.Após a análise dos dados é possível perceber que a combinação do hidrogénio verde com o gás natural é uma boa solução no que concerne à descarbonização da economia, contudo a nível económico ainda apresenta um custo elevado associado à sua produção e à sua implementação nos queimadores. Através da análise do índice de Wobbe, para não haver qualquer alteração nos queimadores existentes nos equipamentos, quer a nível doméstico quer industrial, a percentagem molar máxima de hidrogénio na mistura é de 16%.O êxito na utilização deste gás deverá passar pela existência de uma política de apoio e investimento tecnológico na transição energética ligada ao hidrogénio e uma redução de custos associados à produção de energia elétrica renovável de modo a obter este tipo de gás a um preço competitivo.On a world-wide scale, the average rise in temperature of the terrestrial surface is cause for serious concern. One of the main causes is the increase of gas emissions and the greenhouse effect. In order to mitigate this elevation, renewable sources of energy that reduce the participation of fossil fuels in each country's energetic balance have a fundamental role to play. The primary objective of this work is to technically evaluate the effect of using hydrogen in the co-combustion of natural gas. Green hydrogen is a clean fuel, with a higher thermal power (141,78 MJ/kg to 25oC and 1 atm). It can be produced via electrolyse of water, which consists of a process in which the production of hydrogen occurs from renewable energy sources, like hydraulic, wind, and solar photovoltaic power.In this study, first in order is to present a literature revision of the current types of hydrogen, of the main means of obtaining green hydrogen and the current transportation methods, the storing, and distribution of green hydrogen. Next, various properties associated to mixing different percentages of hydrogen with natural gas are calculated. The calculated properties of said mixture are: thermal power, the Wobbe index, the adiabatic flame temperature, the temperature of the condensation of the fuel, the flames emissivity, the ratio of air to fuel, the influence of the excessive use of oxygen in various parameters, the limits of inflammability and CO2 and Nox emissions into the atmosphere. Lastly, two economical analyses relative to two production projects of green hydrogen in order to bridge the necessities of a 200kW intermittent oven and a selection of equipment from a ceramics field business are made. After analyzing the data it becomes clear that the combination of green hydrogen with natural gas is a good solution when it comes to the decarbonization of the economy, however on an economic level the process presents a high cost relative to it's production and implementation in the burners. Through analysis of the Wobbe index, so that no alterations occur in the existing equipments burners, whether on a domestic or an industrial level, the maximum molar percentage of hydrogen in the mixture is of 16%.The success in using this gas should pass by a support system and technological investment in the energy transition related to hydrogen and a reduction of the costs associated to the production of sustainable renewable electric energy in order to obtain this type of gas at a competitive price