Il vettore idrogeno è considerato uno degli assi portanti dei sistemi energetici, almeno delle nazioni sviluppate, a partire dalla seconda metà del corrente secolo. L’analisi e verifica delle metodologie di utilizzo dell’idrogeno nella generazione elettrica stazionare è di notevole importanza; tra le possibili soluzioni, appare di particolare interesse investigare l’utilizzo nelle turbine a gas (attualmente una delle macchine di generazione più diffuse nel sistema elettrico), sia per verificarne le potenzialità per gli eventuali “retrofit” ad idrogeno, sia al fine di verificarne le potenzialità di sviluppo, per taglie limitate, nella generazione distribuita. In tale contesto è stato definito il Work Package H2TG del Sottoprogetto H2 del Progetto GEN21, nel quale sono inseriti sia studi sulla combustione dell’idrogeno in turbine a gas industriali, sia studi sulla combustione flameless dell’idrogeno. L’attività è condotta quasi interamente da Enel Produzione Ricerca. CESI ha partecipato alle fasi di definizione delle specifiche dell’attività ed alla valutazione dei risultati, anche al fine di un inquadramento ottimale nelle attività del sottoprogetto H2. Il presente rapporto descrive l’attività sperimentale sulle tecniche di combustione catalitica di miscele di idrogeno e/o gas naturale. In particolare sono stati indagati l’intervallo di attività del modulo catalitico in funzione dei parametri di combustione quali temperatura di ignizione ed efficienza di combustione. Sono state inoltre caratterizzate le emissioni inquinanti in funzione della temperatura, velocità, concentrazione e composizione della miscela reagente. Per lo svolgimento delle esperienze si sono utilizzati i risultati dello studio progettuale del bruciatore catalitico e dell’apparecchiatura di prova ottenuti precedentemente nell’ambito del Work package H2TG. Sull’impianto sperimentale sono state effettuate prove di combustione catalitica con differenti miscele di combustibili, al variare della concentrazione, temperatura di ingresso e velocità della miscela reagente. La sperimentazione ha evidenziato l’elevata efficienza di combustione del sistema catalitico, alimentato con miscele arricchite con idrogeno, in un ampio intervallo di temperature (100-1200°C). Il sistema catalitico, alimentato con idrogeno, si è dimostrato attivo già a temperature prossime a quella ambiente (~50°C) con concentrazioni di combustibile inviato al catalizzatore al di sotto dei limiti inferiori di infiammabilità in aria; tale circostanza ha permesso di mantenere la combustione stabile ed efficiente a temperature tali da inibire la formazione degli ossidi di azoto. Il sistema si è dimostrato invece meno reattivo nei confronti del gas naturale poiché non si è ottenuta in nessun caso tra quelli sperimentati una combustione stabile ed efficiente.

Sostanzialmente le esperienze effettuate hanno dimostrato che la combustione catalitica può costituire un’opzione per la combustione di idrogeno a basse emissioni di NOx, sebbene appaiono necessarie ulteriori attività di ricerca per lo sviluppo di catalizzatori in grado di operare durevolmente alle temperature necessarie al raggiungimento di efficienze paragonabili a quelle degli attuali turbogas con fiamma premiscelata.