Analysis of hydrogen fired gas turbine cycles for peak generation

Assuming that the growth in the number of renewable plants for the production of electricity continues according to the current trend, there is a need to couple them with flexible and quick start-up power cycles that help balance the grid and meet demand. Furthermore, we need plants capable of contributing to the process of decarbonization and abatement of emissions. The work proposes first to briefly analyze the current Italian electricity production and the market of large size gas turbines. Subsequently it focuses on the possible key element for the future of electricity production, hydrogen, and its characteristics as a fuel for gas turbines. The heart of the work is centered on simulations of complex gas cycles based on hydrogen. The simulations are carried out using GS Software, a program developed by Politecnico of Milan. In the different phases the effects on the cycle of intercooling, regeneration and water injection are studied step by step. In each phase, the variations in compression work, fuel consumption, cooling flows and efficiency and power produced are highlighted. The studied cycles are able to reach performances similar to those of modern combined cycles and turn out to be a possible turning point for the future of power generation.

Supponendo che la crescita del numero impianti rinnovabili per la produzione di elettricità prosegua secondo l’andamento attuale, esiste la necessità di accoppiare ad essi cicli di potenza flessibili e dal rapido avviamento che aiutino a bilanciare la rete e soddisfare la domanda. Inoltre, servono impianti in grado di contribuire al processo di decarbonizzazione e abbattimento delle emissioni. Il lavoro si propone prima di analizzare brevemente la produzione elettrica italiana attuale e il mercato delle turbine a gas di grande taglia. Successivamente si focalizza sul possibile elemento chiave per il futuro della produzione elettrica, l’idrogeno, e le sue caratteristiche come combustibile per turbine a gas. Il cuore del lavoro è incentrato su simulazioni di cicli a gas complessi basati sull’idrogeno. Le simulazioni sono effettuate tramite GS Software, un programma sviluppato dal Politecnico di Milano. Nelle varie fasi vengono studiati per step gli effetti sul ciclo di: interrefrigerazione, rigenerazione e iniezione di acqua. In ogni fase sono evidenziate principalmente le variazioni sul lavoro di compressione, sul consumo di combustibile, sui flussi di raffreddamento e su efficienza e potenza prodotta. I cicli studiati riescono a raggiungere prestazioni simili a quelle dei moderni cicli combinati e risultano essere una possibile svolta per il futuro della produzione di potenza.