Revista >> Martie 2021 [Nr. 232] >> Cercetare & Invatamant superior

Hidrogenul și combustibilii alternativi – COMOTI explorează viitorul

Dr. ing. Razvan Carlanescu, INCD Turbomotoare COMOTI

19 Martie 2021

Contribuția României în domeniu
În acest context dinamic și cu un avânt spectaculos, România este implicată în diverse acțiuni, prin care își propune să contribuie la dezvoltarea acestui domeniu nou, pe baza experienței, rezultatelor în domeniu și infrastructurii existente.
Din Asociația pentru Energia Hidrogenului din România fac parte, printre alții, Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice și Izotopice – ICSI Râmnicu Vâlcea, care are o bogată experiență în dezvoltarea pilelor de combustie pe bază de hidrogen, iar în domeniul folosirii hidrogenului drept combustibil alternativ Institutul Național de Cercetare Dezvoltare Turbomotoare COMOTI are experiență în folosirea hidrogenului în camerele de ardere ale turbomotoarelor, arderea hidrogenului în aplicații diferite, dar și proiecte realizate în domeniul comprimării, transportului și stocării hidrogenului.

Înființat în 1985, inițial sub denumirea de Centrul de Cercetare Științifică și Inginerie Tehnologică pentru Motoare de Aviație – în cadrul fostului institut de aviație INCREST, astăzi INCD Turbomotoare COMOTI este singura instituție din România specializată în cercetare, dezvoltare și integrare a cercetării științifice, prin proiectare constructivă și tehnologică, producere, experimentare, transfer tehnologic și inovare în domeniul turbomotoarelor de aviație și industriale și a mașinilor paletate de turație mare. COMOTI desfășoară o amplă activitate în domeniul turbomotoarelor, al proiectării asistate de calculator și al fabricației, al calculelor structurale și de dinamica fluidelor și al achiziției de date. Dotările laboratoarelor sunt menținute la un nivel tehnic de ultimă generație prin investiții periodice, beneficiind astfel de facilități și standuri pentru experimentare, testare și măsurători pentru turbomotoare: compresoare, camere de ardere, rețele paletate. Prin departamente specializate și dotări specifice în institut se poate realiza o gama largă de măsurători în domeniul termodinamicii, curgerea fluidelor, acustică și vibrații, încercări fizico-chimice, încercări mecanice, automatizări industriale, etc. Institutul are un personal de peste 350 de persoane, mare parte fiind absolvenți de învățământ superior, cu diverse grade și titluri științifice. Institutul a fost și este implicat în zeci de proiecte de cercetare la nivel național și european. Astfel, de-a lungul timpului COMOTI a reușit să fie cunoscut în întreaga lume, fiind asociat în diferite proiecte cu nume ca SAFRAN și ONERA - Franța, DLR și MT Aerospace - Germania, Ingersoll Rand – S.U.A, Pratt & Whitney - Canada, AIRBUS Defence and Space - Spania, European Space Agency ESA, OMV PETROM, TRANSGAZ, ROMGAZ și Ministerul Apărării Naționale MApN – România.

COMOTI, pe drumul dezvoltării direcțiilor hidrogenului
Pentru a veni în întâmpinarea dinamicii și a provocărilor din domeniul hidrogenului, COMOTI a creat recent un nou colectiv, axat pe punerea în valoare a experienței institutului în domeniul hidrogenului și dezvoltarea unor noi direcții în acest domeniu. Astfel, s-au stabilit patru direcții principale: „Hidrogenul în turbomotoare”, „Comprimare hidrogen”, „Stocare hidrogen” și „Arderi detonante cu hidrogen”. Acestea au la bază experiența și proiectele anterioare.

Producerea energiei prin intermediul turbomotoarelor deține o pondere foarte importantă în totalul energiei produse prin arderea combustibililor fosili. În acest context, arderea eficientă a hidrogenului în turbomotoare și studierea posibilității folosirii combustibililor alternativi vine în întâmpinarea eforturilor pentru atingerea obiectivelor europene în domeniul reducerii impactului de mediu. Colectivul de cercetători și specialiști ai Laboratorului de Camere de Ardere al COMOTI au studiat efectele adăugării de hidrogen în gazul natural folosit drept combustibil în camerele de ardere ale turbomotoarelor cu aplicație industrială, ce ar putea fi folosite la producerea de energie. Proiectul cu numele HIDROCOMB – „Model Experimental Camere De Ardere Cu Flacără Turbulentă, Cu Gaze Naturale Îmbogățite Cu Hidrogen” a fost finanțat de către Ministerul Educației și Cercetării prin UEFISCDI și a dezvoltat o cameră de ardere cu preamestec și turbionare pentru arderea cu excese mari de aer a amestecurilor de hidrogen și gaze naturale în domeniul turbomotoarelor industriale cu combustibili gazoși. Rezultatele obținute inițial au ridicat o serie de probleme, parametrii arderii fiind diferiți în cazul hidrogenului: temperatura și vitezele de reacție cresc, puterea produsă este mai mare, cu efecte potențiale nedorite asupra componentelor turbomotoarelor. Astfel, a fost creat un nou tip de injector, conceput special pentru acest tip de ardere. Finalizarea prototipului și ultimele teste s-au încheiat cu succes în anul 2018. Printr-un amplu program experimental pe standul de încercare camere de ardere al institutului s-a optimizat și apoi validat varianta gândită la începutul proiectului și brevetată în anul 2016. Testările s-au desfășurat în prezența partenerilor, Universitatea Politehnica din București și partenerul industrial UNISON Engine Components, filiala din România a celebrului concern american General Electric, care produce la noi in țară componente de camere de ardere pentru turbomotoare. Experimentele au arătat rezultate promițătoare în ceea ce privește stabilitatea flăcării și reducerea emisiilor de monoxid de carbon, comparativ cu literatura existentă pentru arzătoarele de tip turbionar și au arătat o corelație bună cu rezultatele obținute prin simulările numerice CFD. Mai mult, rezultatele au confirmat posibilitatea dezvoltării și îmbunătățirii noului tip de injector turbionar pentru alte potențiale aplicații industriale.

Printre alte direcții de dezvoltare din domeniul turbomotoarelor, INCD Turbomotoare COMOTI are o experiență vastă în domeniul compresoarelor industriale, cu grupuri de comprimare puse în funcțiune, care merg cu succes de mulți ani în domeniul transportului de gaze comprimate, gaze naturale și amestecuri de gaze, inclusiv hidrogen. Experiența acumulată a permis realizarea, în concepție proprie, a unor familii de electrocompresoare centrifugale şi cu șurub într-o gamă largă de debite şi presiuni, INCD Turbomotoare COMOTI devenind unicul producător național pentru astfel de echipamente complexe. Folosind această tehnologie, au existat cercetări pentru comprimarea și stocarea hidrogenului în vederea transportului prin conducte, folosind compresoarele cu șurub. Există un proiect în derulare, „Sistem integrat de comprimare și transport hidrogen - SICTRAH”, care își propune dezvoltarea unui compresor cu șurub adaptat pentru funcționarea cu hidrogen, care preia hidrogenul de la instalația de electroliză și-l transportă la locația de stocare: fie la un rezervor mare, fie în mine subterane, sau la un loc de încărcare în butelii. Proiectul analizează atât echipamentul de comprimare, cât și eventualele modificări care trebuie făcute pentru adaptarea conductelor de transport. De asemenea, în domeniul stocării hidrogenului există un departament în COMOTI care cercetează posibilitățile folosirii materialelor compozite și speciale pentru rezervoarele și recipientele sub presiune utilizate la stocarea hidrogenului.

Recent, la începutul acestui an, au fost finalizate cu succes experimentele din cadrul proiectului TIDE – „Motor cu detonație cu impuls tangențial”. Soluția propusă de acest proiect este înlocuirea turbinei unui motor de aviație clasic cu un sistem mai simplu, ce folosește conservarea impulsului tangențial generat de gazele de evacuare dintr-o cameră de ardere cu detonație care are drept combustibil hidrogenul.

De asemenea, un alt proiect interesant în care cercetătorii COMOTI au folosit cu rezultate bune hidrogenul a fost Green thruster for altitude control and orbital maneuvers of small satellites” – GREENTH, proiect derulat sub autoritatea European Space Agency (ESA). Proiectul și-a propus creșterea gradului de maturitate al tehnologiei pulsatorii bazate pe hidrogen, pentru aplicații precum un microthruster de control al orientării sateliților de mici dimensiuni, urmărind să demonstreze, prin mijloace experimentale, capabilitatea de a distribui în regim pulsatoriu şi de a aprinde în condiții de vid amestecul H2/O2.