Exploring the potential for domestic hydrogen appliances / Esplorando il potenziale per gli apparecchi a idrogeno domestici
Deployment of domestic hydrogen appliances could help decarbonise UK energy usage. But how feasible is it? Stephen Livermore, an engineer with Frazer-Nash Consultancy discusses the findings of a recent study carried out for the Department of Business, Energy and Industrial Strategy (BEIS).
The provision of heat currently accounts for approximately half of UK energy consumption and one third of carbon dioxide emissions. The government has signalled its intentions for affordable low-carbon energy through the Clean Growth Strategy, and achieving this is likely to require almost full decarbonisation of heat in buildings. There are a number of technologies with the potential to play a role in decarbonising heat, including heat networks, heat pumps, hydrogen and biogas, but it is not yet clear which will work best at scale.
There has been an increasing interest in the role hydrogen could play in the decarbonisation of heat in the UK. Hydrogen could be used in the existing natural gas system, either by blending with the natural gas or by converting the gas system completely to hydrogen. This has the potential to significantly reduce carbon emissions, if low carbon methods of producing hydrogen can be developed and delivered at scale.
Schematic showing operation of a domestic natural gas boiler
The main options include Steam Methane Reformation (SMR) combined with the sequestration (capture and long-term storage) of the carbon, or renewables-powered electrolysis of water. This study has sought to understand whether it is even possible to develop domestic gas appliances which achieve the necessary performance and safety when using 100% hydrogen.
For a given delivery pressure, hydrogen and natural gas provide a similar energy flux when injected through a burner and combusted on the other side. However, hydrogen has a greater flammability range than natural gas and a higher flame speed. Gas burners are designed so that the speed of gas flowing through burner ports is greater than the flame speed, in order to limit the flames to the outside of the port. With a greater flame speed, hydrogen is more prone to light-back, where it propagates back upstream, and given its greater flammability range this poses a risk of ignition to any gas mixtures behind the burner.
Schematic showing operation of a domestic natural gas hob
Domestic natural gas hobs use atmospheric burners that operate by injecting gas, normally from below, into the burner assembly (Figure 1). The jet of gas entrains the surrounding air underneath the burner and this provides some primary aeration before the gas-air mixture flows through holes (ports) around the burner where it is ignited on the outer side. The primary aeration, generated by the momentum of the gas jet, is not sufficient for full combustion and additional air (secondary air) is naturally drawn into the flame as it burns. Switching to hydrogen will require the removal of the primary airflow, as well as any void spaces where combustible gases could accumulate and potentially ignite. The flame failure devices, which detect when gas is flowing but no flame is present, typically take around 30 seconds to respond in natural gas appliances – a significantly faster response time may be required for hydrogen. Ovens and fires differ slightly from hobs in their geometry but work in a similar manner, so similar changes will be required.
Modern condensing boilers use pre-mix burners to mechanically draw in natural gas and mix it to stoichiometric proportions prior to combustion (Figure 2). The latent heat is captured by condensing out water vapour from the exhaust in the heat exchanger and this requires the burner system (and flames) to be downwards facing so that the condensate drips down away from the burner. Pre-mixed burning is likely to be incompatible with hydrogen, as it will be difficult to safeguard the volume of combustible gas mixture behind the burner surface from light-back.
One possibility is to introduce the air to the gas, or perhaps even both gases simultaneously, directly at the burner surface. Unlike the other appliances, boilers use ionisation sensors to detect poor combustion, through the presence of hydrocarbons in the exhaust. These hydrocarbons do not occur when hydrogen is burned and alternative sensors will need to be developed for domestic boilers, perhaps using ultraviolet (UV) or infrared (IR) sensors which are widely used in other industries.
There are a number of other engineering challenges that will need to be addressed:
- Hydrogen is likely to burn hotter than natural gas and this has implications for efficiency and Nitrogen Oxides (NOx) emissions. NOx is known to be a major air pollutant and, particularly for boilers, is highly regulated through the Energy Products Directive (ErP). The formation of NOx is dependent on a number of factors, including the flame temperature, size and shape as well as the residence time of the airflow around the flames.
- Hydrogen produces 60% more water vapour for the same amount of energy delivered than natural gas. This will result in more condensate in boilers, and could affect the cooking performance of ovens, potentially even being beneficial.
- Natural gas burns with a characteristic blue flame, whilst hydrogen burns with a very pale blue flame that is barely visible in daylight. This could present both safety and aesthetic challenges for hobs and fires where the flames are unprotected.
- In comparison to natural gas, hydrogen is more prone to leakage, although it is significantly more buoyant so any potential leak will tend to disperse more rapidly. Suitable odorants will need to be added to hydrogen and these will need to be compatible with any flame colourant.
Engagement with domestic gas appliance manufacturers has suggested that new appliances could be made to run on 100% hydrogen. By designing with hydrogen in mind from the outset, manufacturers see no reason why they couldn’t offer similar performance, lifetime and reliability as current natural gas appliances. The adaptation of existing appliances (similar to the approach used in the town gas conversion in the 1970s) is possible, although it is likely that there will be compromises in the performance, as any remaining components will not have been optimised for the higher temperatures.
The development of dual-fuel appliances, which can readily switch between the gas types, could significantly reduce the burden at the point of switchover, although these are likely to require doubling up of certain components and this would result in larger sizes and higher production costs. In the context of a single gas changeover, ‘hydrogen-ready’ appliances may be an attractive middle ground. Analogous to HD ready televisions, these appliances could developed with hydrogen in mind but temporarily back-fitted to run on natural gas up to the point of changeover. If a switchover occurred a simple, or even standardised conversion kit could be used to readily convert these appliances.
The government is seeking more evidence on the feasibility of hydrogen for domestic heat. As well as this study, it has commissioned the Hy4Heat programme to develop the first generation of domestic hydrogen appliances and investigate the safety case for the use of hydrogen downstream of the meter, in preparation for a potential experimental trial. The full Frazer-Nash report on the feasibility of hydrogen appliances is available on the BEIS website.
ITALIANO
La distribuzione di apparecchi domestici per l'idrogeno potrebbe aiutare a decarbonizzare l'utilizzo di energia nel Regno Unito. Ma quanto è fattibile? Stephen Livermore, un ingegnere con Frazer-Nash Consultancy, discute i risultati di un recente studio condotto per il Dipartimento di Business, Energia e Strategia Industriale (BEIS).
La fornitura di calore rappresenta attualmente circa la metà del consumo energetico del Regno Unito e un terzo delle emissioni di biossido di carbonio. Il governo ha segnalato le sue intenzioni di utilizzare l'energia a basse emissioni di carbonio a prezzi accessibili attraverso la strategia di crescita pulita, e il raggiungimento di questo richiederà probabilmente una completa decarbonizzazione del calore negli edifici. Esistono numerose tecnologie con il potenziale di svolgere un ruolo nella decarbonizzazione del calore, comprese le reti di calore, le pompe di calore, l'idrogeno e il biogas, ma non è ancora chiaro quale funzionerà meglio su larga scala.
C'è stato un crescente interesse per il ruolo che l'idrogeno potrebbe svolgere nella decarbonizzazione del calore nel Regno Unito. L'idrogeno potrebbe essere utilizzato nel sistema di gas naturale esistente, miscelando il gas naturale o convertendo completamente il sistema del gas in idrogeno. Questo ha il potenziale per ridurre significativamente le emissioni di carbonio, se i metodi a basse emissioni di carbonio di produzione di idrogeno possono essere sviluppati e forniti su larga scala.
Le opzioni principali includono Steam Methane Reformation (SMR) combinato con il sequestro (cattura e conservazione a lungo termine) del carbonio, o elettrolisi alimentata da fonti rinnovabili di acqua. Questo studio ha cercato di capire se sia persino possibile sviluppare apparecchi a gas domestici che raggiungono le prestazioni e la sicurezza necessarie quando si utilizza l'idrogeno al 100%.
Per una data pressione di erogazione, l'idrogeno e il gas naturale forniscono un flusso di energia simile quando iniettati attraverso un bruciatore e bruciati sull'altro lato. Tuttavia, l'idrogeno ha un intervallo di infiammabilità maggiore rispetto al gas naturale e una maggiore velocità della fiamma. I bruciatori a gas sono progettati in modo che la velocità del gas che fluisce attraverso le porte del bruciatore sia maggiore della velocità della fiamma, al fine di limitare le fiamme all'esterno della porta. Con una maggiore velocità della fiamma, l'idrogeno è più incline alla retroilluminazione, dove si propaga di nuovo a monte, e dato il suo maggiore intervallo di infiammabilità ciò comporta un rischio di ignizione a qualsiasi miscela di gas dietro il bruciatore.
I piani di cottura domestici a gas naturale utilizzano bruciatori atmosferici che funzionano iniettando gas, normalmente dal basso, nel gruppo bruciatore (Figura 1). Il getto di gas trascina l'aria circostante al di sotto del bruciatore e ciò fornisce una certa aerazione primaria prima che la miscela gas-aria scorra attraverso i fori (orifizi) attorno al bruciatore dove viene accesa sul lato esterno. L'aerazione primaria, generata dall'impulso del getto di gas, non è sufficiente per la piena combustione e l'aria supplementare (aria secondaria) viene naturalmente aspirata nella fiamma mentre brucia. Il passaggio all'idrogeno richiederà la rimozione del flusso d'aria primario, nonché eventuali spazi vuoti in cui i gas combustibili potrebbero accumularsi e potenzialmente infiammarsi. I dispositivi di guasto della fiamma, che rilevano quando il gas scorre ma non è presente alcuna fiamma, impiegano in genere circa 30 secondi per rispondere negli apparecchi a gas naturale: per l'idrogeno può essere necessario un tempo di risposta significativamente più veloce. I forni e i fornelli differiscono leggermente dai fornelli nella loro geometria ma funzionano in modo simile, quindi saranno necessari cambiamenti simili.
Le moderne caldaie a condensazione utilizzano bruciatori premiscelati per aspirare meccanicamente il gas naturale e miscelarlo in proporzioni stechiometriche prima della combustione (Figura 2). Il calore latente viene catturato condensando il vapore acqueo dallo scarico nello scambiatore di calore e ciò richiede che il sistema del bruciatore (e le fiamme) sia rivolto verso il basso in modo che la condensa goccioli via dal bruciatore. È probabile che la combustione premiscelata sia incompatibile con l'idrogeno, poiché sarà difficile salvaguardare il volume della miscela di gas combustibile dietro la superficie del bruciatore dalla retroilluminazione.
Una possibilità è quella di introdurre l'aria nel gas, o forse anche in entrambi i gas contemporaneamente, direttamente sulla superficie del bruciatore. A differenza degli altri apparecchi, le caldaie utilizzano sensori di ionizzazione per rilevare una scarsa combustione, attraverso la presenza di idrocarburi nello scarico. Questi idrocarburi non si verificano quando l'idrogeno viene bruciato e devono essere sviluppati sensori alternativi per le caldaie domestiche, magari utilizzando sensori ultravioletti (UV) o infrarossi (IR) ampiamente utilizzati in altri settori.
Ci sono una serie di altre sfide ingegneristiche che dovranno essere affrontate:
L'idrogeno è destinato a bruciare più caldo del gas naturale e ciò ha implicazioni per l'efficienza e le emissioni di ossidi di azoto (NOx). L'NOx è noto per essere un importante inquinante atmosferico e, in particolare per le caldaie, è altamente regolamentato dalla direttiva sui prodotti energetici (ErP). La formazione di NOx dipende da una serie di fattori, tra cui la temperatura della fiamma, le dimensioni e la forma, nonché il tempo di permanenza del flusso d'aria intorno alle fiamme.
L'idrogeno produce il 60% in più di vapore acqueo per la stessa quantità di energia erogata rispetto al gas naturale. Ciò si tradurrà in una maggiore condensazione nelle caldaie e potrebbe influire sulle prestazioni di cottura dei forni, potenzialmente anche vantaggioso.
Il gas naturale brucia con una caratteristica fiamma blu, mentre l'idrogeno brucia con una fiamma blu molto pallida che è appena visibile alla luce del giorno. Questo potrebbe presentare sfide sia di sicurezza che estetiche per piani cottura e incendi in cui le fiamme non sono protette.
Rispetto al gas naturale, l'idrogeno è più soggetto a perdite, sebbene sia significativamente più galleggiante, quindi qualsiasi perdita potenziale tenderà a disperdersi più rapidamente. Agenti idrogenati dovranno essere aggiunti all'idrogeno e questi dovranno essere compatibili con qualsiasi colorante a fiamma.
L'impegno con i produttori di apparecchi a gas domestici ha suggerito che potrebbero essere fatti nuovi apparecchi per funzionare con idrogeno al 100%. Progettando con l'idrogeno in mente fin dall'inizio, i produttori non vedono alcun motivo per cui non potrebbero offrire prestazioni, durata e affidabilità simili a quelle degli attuali apparecchi a gas naturale. L'adattamento di apparecchi esistenti (simile all'approccio utilizzato nella conversione del gas cittadino negli anni '70) è possibile, anche se è probabile che ci saranno dei compromessi nelle prestazioni, dal momento che eventuali componenti rimanenti non saranno stati ottimizzati per le temperature più elevate.
Lo sviluppo di apparecchi a doppia alimentazione, che possono essere facilmente commutati tra i tipi di gas, potrebbe ridurre significativamente l'onere al punto di switchover, anche se è probabile che richieda il raddoppio di alcuni componenti e ciò comporterebbe dimensioni maggiori e costi di produzione più elevati . Nel contesto di un unico passaggio del gas, gli apparecchi "pronti per l'idrogeno" possono rappresentare una interessante via di mezzo. Analogamente ai televisori HD ready, queste appliance potrebbero essere sviluppate pensando all'idrogeno, ma temporaneamente ripristinate per funzionare con gas naturale fino al punto di passaggio. Se si verificava uno switchover, era possibile utilizzare un kit di conversione semplice o addirittura standardizzato per convertire prontamente queste appliance.
Il governo sta cercando ulteriori prove sulla fattibilità dell'idrogeno per il riscaldamento domestico. Oltre a questo studio, ha commissionato al programma Hy4Heat lo sviluppo della prima generazione di apparecchi domestici per l'idrogeno e lo studio del caso di sicurezza per l'uso dell'idrogeno a valle del contatore, in preparazione di un potenziale uso sperimentale. Il rapporto completo Frazer-Nash sulla fattibilità degli apparecchi a idrogeno è disponibile sul sito web BEIS.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/domestic-hydrogen-appliances/?cmpid=tenews_5113395&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E
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