Performance assessment of hydrogen-fed Siemens SGT-800-57 gas turbine using Thermoflex and GasTurb simulation software

Turning towards a green future and decarbonisation, sustainable hydrogen production became numerous companies' research focus. Thus, movement power-to-X (also known as PtX or P2X) was born. This can be seen as a collective term for conversion technologies that turn electricity into carbon-neutral synthetic fuels, such as synthetic natural gas, liquid fuels or hydrogen. The importance of this movement can be applied in hard-to-decarbonise sectors such as heavy industry (steel, cement and chemicals production make up around 40% out of all carbon dioxide emitted). Further, heavy-duty transport, shipping, and aviation require liquid or gaseous fuel. It can be understood that direct electrification can solve part of the problem. However, our hopes still revolve around green hydrogen and e-fuels as leading solutions for the hard-to-decarbonise sectors. In this work, the performance parameters of the Siemens SGT-800-57 gas turbine are assessed, for on-design when using hydrogen as fuel. The nominal data provided by the manufacturer, for natural gas combustion are compared to the results obtained using Thermoflex and GasTurb software. In Thermoflex, the real physical model for an on-design operation is subjected to fuel and load change. The behaviour of the engine is investigated and the results are in agreement with the manufacturer data. Whereas, GasTurb allows for the selection of the engine configuration: imposing the data obtained from Thermoflex similar results from the two software are observed. Thus the characteristic behaviour of the engine performance parameters is confirmed. The results imply that to retrofit existing gas turbines it is needed assessment of the individual components and different operating conditions have to be chosen when switching to pure hydrogen and in the cases where hydrogen content passes 30 vol%.

In vista di un futuro “green” e della decarbonizzazione, la produzione sostenibile di idrogeno è diventata l'obiettivo di ricerca di numerose aziende. E’ nato cosi’ il movimento power-to-X (noto anche come PtX o P2X). Si tratta di un termine collettivo che indica le tecnologie di conversione che trasformano elettricità in combustibili sintetici a zero emissioni di carbonio, come gas naturale sintetico, combustibili liquidi o idrogeno. L'importanza di questo movimento puo’ essere applicata a settori difficili da decarbonizzare come l'industria pesante (la produzione di acciaio, cemento e prodotti chimici produce circa il 40% di tutte le emissioni di anidride carbonica). Inoltre, i trasporti pesanti, la navigazione e l'aviazione richiedono combustibili liquidi o gassosi. Si puo’ capire che l'elettrificazione diretta puo’ risolvere parte del problema. Tuttavia, le nostre speranze sono ancora rivolte all'idrogeno verde e ai carburanti elettronici come soluzioni principali per i settori difficili da decarbonizzare. Le prestazione della turbina a gas Siemens SGT-800-57 vengono quindi valutate, in condizioni di progetto, usando idrogeno come combustibile. I dati nominali forniti dal produttore, per la combustione di gas naturale, sono stati confrontati con i risultati ottenuti con i software Thermoflex e GasTurb. In Thermoflex, il modello fisico reale della turbina per un funzionamento in condizioni di progetto è stato sottoposto a variazioni di combustibile e di carico. I risultati ottenuti concordano con i dati nominali. La medesima turbina é stata modellata nel software GasTurb. Imponendo i dati ottenuti da Thermoflex, simili risultati sono stati ottenuti, confermando così il comportamento caratteristico dei parametri di prestazione del motore. I risultati mostrano che, per adattare una turbina a gas esistente, si rende necessario la valutazione dei singoli componenti e di scegliere condizioni operative diverse quando si passa all'idrogeno puro e nei casi in cui il contenuto di idrogeno supera i 30 vol%.