Gaz Türbinlerinde Amonyak Yakıtının Performans Parametrelerine Etkilerinin İncelenmesi
Investigation of Effects of Ammonia Fuel On Performance of Gas Turbines
Yazar: ALPER ÇİFTÇİ
Danışman: DOÇ. DR. HASAN KAYHAN KAYADELEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Gaz türbinli motorlar = Gas turbine engines ; Türbülanslı yanma = Turbulent combustion ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Sanayi devriminden sonra hidrokarbon yakıtlardan kaynaklı karbon salınımları tüm dünyada ve ülkemizde artmaya başlamıştır. Özellikle enerji sektörü ve taşımacılık sektörü bu karbon salınımında büyük bir paya sahiptir. Karbon salınımı sera etkisine sebep olarak küresel ısınma gibi büyük bir probleme sebep olmaktadır. İçten yanmalı motorlar sebebiyle ortaya çıkan sera gazları arasındaki en büyük pay CO2'ye aittir. CO2 hidrokarbon yanmasının doğal bir sonucudur ve karbonsuz yakıt kullanımı dışında kaçınılmaz olarak ortaya çıkmaktadır. Bununla beraber uygunsuz işletme, eski tip motorların kullanımı ve uygunsuz yakıt seçimi, motorlarda tam yanma gerçekleşmesinin önüne geçmekte olup CO, HC, ve SOx gibi diğer kirletici gaz emisyonlarına sebep olmaktadır. Bu tür emisyonların azaltılması için egzoz gazlarının atmosfere salınmadan önce yakalanarak depolanması veya baca gazı yıkama (scrubbing) gibi tedbirler alınabilir. Ancak bu tedbirler işletme maliyetini arttırmakta ve ek iş gücü gerektirmektedir. Bunların dışında uygun yakıt seçimi yanma öncesi alınan önemli ve birincil tedbir olarak vurgulanmalıdır. Bu sayede karbon içermeyen alternatif bir yakıt seçilerek karbon emisyonları sıfıra indirilebilir. Karbon içermeyen yakıtlardan biri olan ve bunun yanında kolay ulaşılabilir bir kimyasal bileşik olan amonyak karbon salınımı problemini ortadan kaldırabilecek alternatif yakıt olarak düşünülmektedir. Amonyak, karbon içermeyen diğer bir yakıt olan hidrojene göre depolanması daha kolay, maliyeti daha düşük ve daha güvenlidir; ancak amonyak bu olumlu özelliklerinin yanı sıra yanma hızının düşük olması ve pistonlu motorlarda vuruntuya sebep olması gibi olumsuz özelliklere de sahiptir. Aynı zamanda amonyak yanma sonucu oluşan ürünlerinin sıcaklıkları diğer hidrokarbon yakıtlara göre daha düşüktür. Bu durum termal NOx emisyonlarını azaltmaktadır.  

Amonyağın yakıt olarak kullanılması ile ilgili çalışmalara 1870'li yıllarda başlanmış, 2000'li yıllara kadar yavaş bir seyir izleyerek devam etmiştir. Günümüzde ise hidrokarbon yakıtlara alternatif yakıt arayışı arttığından karbon içermeyen yakıt olan amonyağa olan ilgi artmış, bu alanda yapılan çalışmalar büyük bir hız kazanmıştır. Bu çalışmalar genel olarak amonyağın yanma karakteristiği, içten yanmalı motorlarda performansa olan etkileri ve NOx emisyonlarına olan etkileri kapsamaktadır. 

Denizcilik sektörü, küresel karbon emisyonlarının önemli bir kaynağıdır. Bu sebeple Uluslararası Deniz Ticaret Odası (ICS) 2030 yılına kadar binlerce sıfır karbonlu geminin inşa edilmesi ve 2050 yılına kadar çoğunlukla tüm gemilerin sıfır karbonlu hale gelmesi gerektiğini belirtmektedir.  Kasım 2021 tarihinde ICS tarafından yayınlanan "Denizcilik İçin Sıfır Emisyon Raporu" sonrasında gemilerde alternatif güç aktarım sistemleri ve alternatif yakıtlar üzerine yapılan araştırmalar günümüzde hız kazanmıştır.

Buna paralel olarak bu çalışmada, gaz türbinlerinde sera gazı emisyonlarını azaltmak amacıyla alternatif yakıt olarak amonyak kullanımının etkileri incelenmiştir. Bu amaçla gaz türbinlerinde doğal gazın ana bileşeni olan metana farklı oranlarda amonyak katkısının performans ve emisyonlara etkileri incelenmiş, farklı amonyak katkı oranlarında sistemin termodinamik analizi ve emisyon analizleri yapılmıştır. Emisyonlar nümerik hesaplama ve modellenen iki boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli ile elde edilmiş, elde edilen bu emisyon değerleri literatürdeki yarı-ampirik modellerinden alınan sonuçlar ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Hesaplama maliyetini azaltmak amacıyla nümerik hesaplamalar sırasında amonyak-metan karışımlarında kullanılan Konnov mekanizması uygun bir biçimde sadeleştirilerek kullanılmıştır. Adı geçen sadeleştirilmiş mekanizma üzerinde türbülans etkilerini de değerlendirebilmek, kimyasal etkilerle türbülans etkilerinin birbirleriyle etkileşimini sağlamak amacıyla Eddy Dağılım Konsepti (EDC) yanma modeli kullanılmıştır. Türbülans modeli olarak standart k-e modeli ve radyasyon modeli olarak ise P-1 modeli kullanılmıştır.

Bu çalışma, gaz türbinlerinde alternatif yakıt uygulamasına yönelik termodinamik ve sayısal analizler içerdiğinden gaz türbinlerinde alternatif yakıt çözümleri için yapılacak olan araştırmalara ışık tutması amaçlanmıştır. Ayrıca, denizcilik sektöründe giderek yaygınlaşması ön görülen amonyak yakıtının yine denizcilik sektöründe geleceğin tahrik sistemleri olarak ön görülen gaz türbinlerinde kullanımına yönelik olduğundan yenilik getiren bir çalışma olacağı ve sektörün geleceğine de ışık tutması temenni edilmektedir.

Abstract:
After the industrial revolution, carbon emissions from hydrocarbon fuels have started to increase all over the world. The largest share in carbon emissions belongs to the energy sector and the transport sector. Carbon emissions cause major problems such as global warming, greenhouse effect and human health problems. Improper operation, use of older engines and inappropriate fuel selection prevent complete combustion in internal combustion engines and cause toxic gas emissions such as CO, HC and SOx. These can be avoided by taking appropriate measures such as capture and storage of exhaust gases or scrubbing of flue gas. On the other hand, CO2 which is responsible from the greenhouse effect and has the highest porsion among the exhaust gas species being natural result of hydrocarbon combustion is unavoidable unless carbon-free fuels are used.

Using carbon-free fuels should be emphasised as an important and primary measure taken before the combustion process. In this way, carbon emissions can be reduced to zero by choosing a carbon-free alternative fuel. This will also minimize the operating cost and obviate the need for additional labor force because expensive methods such as carbon capture and storage and scrubbing of flue gas would be unnecessary. 

Ammonia is an easily accessible chemical compound which can be used as a convenient carbon-free fuel being easier to store, less costly and safer than hydrogen. However, it has some negative properties such as low combustion rate and its knocking behaviour in piston engines. At the same time, temperature of products of ammonia combustion is lower than that of other hydrocarbon fuels. This helps to lower thermal NOx emissions in the combustion chamber.

Studies on the use of ammonia as a fuel started in the 1870s and continued slowly until the 2000s. Nowadays, as the search for alternative fuels to hydrocarbon fuels has increased, interest in ammonia has increased and studies in this field have gained great speed. These studies generally cover the combustion characteristics of ammonia, its effects on the performance of internal combustion engines and its effects on NOx emissions.
The maritime sector is a significant source of global carbon emissions. For this reason, the International Chamber of Shipping (ICS) states that thousands of zero-carbon ships should be built by 2030 and mostly all ships should become zero-carbon by 2050. Following the "Zero Emission Report for Shipping" published by ICS in November 2021, research on alternative power transmission systems and alternative fuels in ships has accelerated today.

In parallel this study investigates the effects of using ammonia as an alternative fuel to reduce greenhouse gas emissions in gas turbines. For this purpose, the effects of ammonia on performance and emissions mixed to methane at different ratios is investigated in gas turbine engines. Thermodynamic analysis and emission analyses of the system were performed at different ammonia additive ratios. Emissions were obtained by numerical calculation by using two-dimensional computational fluid dynamics model. These emission values were verified by comparing with the results obtained from semi-empirical models in the literature. In order to reduce the computational cost, the Konnov mechanism used in the numerical calculations for ammonia-methane mixtures was simplified in a suitable way. The Eddy Dissipation Concept (EDC) combustion model was used to evaluate the turbulence effects on the simplified mechanism and to ensure the interaction of chemical and turbulence effects. The standard k-e model was used as the turbulence model and the P-1 model was used as the radiation model.

Since this study includes thermodynamic and numerical analyses for alternative fuel applications, it is aimed to shed light on the research to be carried out for alternative fuel solutions in gas turbines. In addition, due to the widespread interest on the ammonia fuel and gas turbine propulsion systems in the maritime sector this study is hoped to be an innovative study and shed light on the future of the sector.