Model validation and performance analysis of a HCNG cogenerative engine

The global energy transition necessitates immediate strategies to decarbonize the power generation sector while maintaining high operational efficiency and reliability. Hydrogen-enriched natural gas (HCNG) engines represent a versatile solution, capable of operating on pure natural gas, pure hydrogen, or any intermediate blend. To maximize energy efficiency, the integration of these engines into combined heat and power (CHP) systems ensures superior utilization of the primary energy source. This thesis presents a Model Validation and Performance Analysis of an HCNG-Fueled Cogeneration Engine, based on a commercial 2G Agenitor 404 unit. As numerical simulation has become an indispensable tool for engine optimization, this work evaluates the feasibility of simulating hydrogen-methane combustion using available light hydrocarbons kinetic mechanism. Moreover research investigates the influence of hydrogen fraction (0−100\% vol.) on combustion characteristics under full and part-load conditions. The analysis confirms that kinetic mechanisms tailored for methane can predict HCNG combustion with good accuracy, providing a robust starting point for future optimization studies. Ultimately, this study validates HCNG as a high-performance bridging technology for the decarbonization of decentralized energy systems.

La transizione energetica globale richiede strategie immediate per decarbonizzare il settore della produzione di energia, mantenendo al contempo elevati standard di efficienza operativa e affidabilità. I motori a gas naturale arricchito con idrogeno (HCNG) rappresentano una soluzione versatile, in grado di funzionare con gas naturale puro, idrogeno puro o qualsiasi miscela intermedia. Per massimizzare l'efficienza energetica, l'integrazione di questi motori in sistemi di cogenerazione (CHP - Combined Heat and Power) garantisce un utilizzo superiore della fonte di energia primaria. Questa tesi presenta la validazione di un modello e l'analisi delle prestazioni di un motore per cogenerazione alimentato a HCNG, basato su un'unità commerciale 2G Agenitor 404. Poiché la simulazione numerica è diventata uno strumento indispensabile per l'ottimizzazione dei motori, questo lavoro valuta la fattibilità della simulazione della combustione di miscele idrogeno-metano utilizzando i meccanismi cinetici disponibili per gli idrocarburi leggeri. Inoltre, la ricerca analizza l'influenza della frazione di idrogeno (0-100\% in volume) sulle caratteristiche della combustione in condizioni di pieno carico e carico parziale. L'analisi conferma che i meccanismi cinetici sviluppati per il metano sono in grado di predire la combustione di HCNG con buona precisione, fornendo un solido punto di partenza per futuri studi di ottimizzazione. In sintesi, questo studio ribadisce che l'HCNG come una tecnologia ad alte prestazioni per la transizione e la decarbonizzazione dei sistemi energetici decentralizzati.