GE Vernova e IHI lanciano un centro di prova per abilitare la combustione di ammoniaca al 100% nelle turbine a gas di classe F entro il 2030
Il gruppo giapponese integrato dell'industria pesante IHI Corp. e GE Vernova hanno inaugurato un nuovo impianto per test di combustione su larga scala (LCT) presso lo stabilimento Aioi di IHI a Hyogo, in Giappone, segnando un passo fondamentale nel loro impegno congiunto per commercializzare combustori per turbine a gas in grado di bruciare fino al 100% di ammoniaca entro il 2030. L'impianto accelererà i test dei prototipi su larga scala a partire dall'estate del 2025, hanno affermato i partner.
Il nuovo impianto di prova di combustione su larga scala (LCT) nasce da un accordo di sviluppo congiunto (JDA) firmato nel gennaio 2024. In base all'accordo, le aziende si sono prefissate di sviluppare un sistema di combustione per turbine a gas al 100% compatibile con ammoniaca e adattabile ai modelli 6F.03, 7F e 9F di GE, con l'obiettivo di rendere il prodotto disponibile in commercio entro il 2030.
Come riportato da POWER , le aziende hanno firmato un memorandum d'intesa a giugno 2021 per definire una " roadmap aziendale per le turbine a gas ad ammoniaca", che includeva una ricerca congiunta sul potenziale di mercato, studi di fattibilità per l'ammoniaca come combustibile per impianti a gas in Giappone e Asia e una definizione iniziale della tecnologia . Nel febbraio 2023, dopo uno studio durato un anno, le aziende hanno concluso che l'ammoniaca potrebbe rappresentare un combustibile alternativo potenzialmente meno costoso per le turbine a gas in Giappone rispetto all'idrogeno liquido, se si considera l'intero flusso di valore delle importazioni.
Il JDA di gennaio 2024 si è basato sul lavoro svolto da IHI per sviluppare un combustore per una turbina a gas IM270 da 2 MW, finanziato dall'Organizzazione giapponese per lo sviluppo delle nuove energie e delle tecnologie industriali (NEDO). Nel giugno 2022, IHI ha condotto test per la combustione mono-combustione di ammoniaca liquida nella turbina presso il suo stabilimento di Yokohama Works, utilizzando un nuovo metodo di combustione che prevedeva la spruzzatura diretta di ammoniaca liquida nel combustore della turbina a gas. I test hanno mostrato un tasso di riduzione dei gas serra, inclusi sia CO₂ che protossido di azoto ( N₂O ), superiore al 99%, anche con un rapporto di combustibile di ammoniaca compreso tra il 70% e il 100%.
LCT testerà la combustione dell'ammoniaca in condizioni operative realiI tradizionali combustori a secco e a basso NOx (DLN), tipicamente ottimizzati per il metano, sono fondamentalmente sistemi premiscelati a miscela magra che riducono al minimo gli ossidi di azoto ( NOx ) riducendo la temperatura di fiamma. Una sfida fondamentale, tuttavia, è stata quella di affrontare l'elevato contenuto di azoto dell'ammoniaca (circa l'83% in massa), che porta a un'eccessiva formazione di NOx in condizioni di miscela magra. La tecnologia IHI adotta un sistema di combustione a due stadi che prevede una fase ricca di combustibile seguita da una fase magra. Nella prima fase, la limitata disponibilità di ossigeno sopprime la formazione di NOx durante la decomposizione dell'ammoniaca. La seconda fase garantisce una combustione completa con aggiunta di aria, riducendo ulteriormente l'ammoniaca residua e il combustibile incombusto.
Il nuovo LCT, lanciato dalle aziende lunedì, inizierà quest'estate i rigorosi test di combustione della tecnologia utilizzando prototipi di combustori a grandezza naturale alimentati al 100% con ammoniaca. Un obiettivo chiave è convalidare le prestazioni, l'affidabilità e la conformità alle emissioni in condizioni reali. " Il nuovo impianto di prova è progettato per testare sistemi di combustione avanzati alle condizioni operative della turbina a gas di classe F di GE Vernova, tra cui pressione, temperatura e portate di aria e carburante", hanno dichiarato le aziende in una nota.
"Questo traguardo segna un significativo passo avanti nella roadmap tecnologica congiunta siglata con un Accordo di Sviluppo Congiunto nel 2024, con l'obiettivo di realizzare un sistema di combustione al 100% in grado di utilizzare ammoniaca entro il 2030", ha spiegato Kensuke Yamamoto, dirigente di IHI, vicepresidente della Divisione Sviluppo Commerciale e direttore generale del Dipartimento Progetti Catena del Valore dell'Ammoniaca. "IHI ha sviluppato una turbina a gas IM270 (potenza 2 MW) alimentata al 100% da ammoniaca e affinerà la tecnologia per sviluppare una tecnologia di combustione su larga scala. Il ruolo di IHI nello sviluppo di combustori risiede in questo nuovo impianto di prova di punta, che sarà un polo cruciale per il progetto di IHI e GE Vernova. L'istituzione dell'LCT sottolinea l'impegno di IHI e GE Vernova nel promuovere l'innovazione in soluzioni energetiche più sostenibili, con l'ammoniaca come combustibile promettente per la futura generazione di energia".
Le aziende hanno sottolineato che la collaborazione tra le due società comprende sinergie "tra le competenze di IHI nella combustione dell'ammoniaca e i team tecnici globali di GE Vernova, e la condivisione delle migliori pratiche sviluppate presso l'impianto di prova di combustione avanzata di GE Vernova a Greenville, nella Carolina del Sud".
L'ammoniaca, da tempo utilizzata in applicazioni industriali come fertilizzanti e materie prime chimiche, è stata pubblicizzata come vettore per l'idrogeno, dato che potrebbe consentire un trasporto e uno stoccaggio efficienti e a basso costo. Gli esperti osservano che, sebbene l'ammoniaca pulita sia promettente come combustibile a basse emissioni di carbonio per l'energia elettrica e il trasporto marittimo, la sua adozione su larga scala incontra ostacoli significativi, tra cui il costo dell'ammoniaca verde che rimane proibitivo – fino a sei volte superiore a quello dell'ammoniaca marrone convenzionale – a causa della costosa elettrolisi e della limitata disponibilità di energia rinnovabile. L'ammoniaca blu offre un'alternativa più praticabile a breve termine, ma richiede comunque costosi retrofit per la cattura del carbonio. Anche la tossicità dell'ammoniaca, le potenziali emissioni di NOx e i problemi di sicurezza pubblica rappresentano degli ostacoli.
Nel frattempo, nonostante le promesse dell'ammoniaca come combustibile a zero emissioni di carbonio per la produzione di energia, lo slancio del mercato è stato lento a causa di una combinazione di barriere tecniche, economiche e pratiche. Un ostacolo fondamentale è stato la personalizzazione delle turbine per soddisfare le severe normative sugli NOx a una sola cifra in mercati importanti come Stati Uniti e Giappone. Finora, nessun produttore di apparecchiature originali (OEM) ha ancora commercializzato una turbina a gas in grado di funzionare con combustibile al 100% di ammoniaca, sebbene siano in corso progressi per la convalida ingegneristica e la dimostrazione.
Sembcorp Industries a Singapore sta collaborando in particolare con IHI e GE Vernova per valutare l'ammodernamento di due turbine GE Vernova 9F presso l'impianto di cogenerazione Sakra da 815 MW per il funzionamento al 100% ad ammoniaca, in un progetto che potrebbe diventare una delle prime dimostrazioni su scala commerciale al mondo di generazione a ciclo combinato alimentata ad ammoniaca. Mitsubishi Power sta nel frattempo sviluppando una turbina da 40 MW basata sul suo modello H-25, in grado di bruciare direttamente l'ammoniaca. MAN Energy Solutions, ora rinominataEverllence , sta inoltre sviluppando la tecnologia dei motori alimentati ad ammoniaca per l'energia su scala industriale e di pubblica utilità, basandosi sulle soluzioni di compressione esistenti per i processi ad ammoniaca con lo sviluppo di motori a due tempi (12-68 MW) e motori a quattro tempi a doppio combustibile (26 MW).
GE Vernova, la cui flotta globale installata comprende circa 7.000 turbine a gas, sta in particolare implementando una strategia di decarbonizzazione multifase per la propria flotta di turbine a gas, mirando a riduzioni dell'intensità di carbonio a breve termine e a zero emissioni nette a lungo termine. Secondo il rapporto sulla sostenibilità pubblicato dall'azienda a giugno 2025 , l'azienda si è posta l'obiettivo a breve termine di ridurre l'intensità delle emissioni di Scope 1 e 2 del 50% entro il 2030 (rispetto al 2019) e si è impegnata a raggiungere zero emissioni nette di Scope 3, ovvero quelle derivanti dall'utilizzo di prodotti venduti, comprese le turbine a gas, entro il 2050. Per raggiungere questo obiettivo, GE Vernova sta integrando capacità a idrogeno nelle sue turbine a gas nuove ed esistenti, consentendo una combustione di idrogeno fino al 100% in modelli selezionati, e sta sperimentando retrofit di cattura del carbonio post-combustione sulle flotte operative. L'azienda sta inoltre implementando soluzioni digitali avanzate, tra cui ottimizzazioni delle prestazioni basate sull'intelligenza artificiale, per ridurre il consumo di carburante e le emissioni in tutte le operazioni delle turbine a gas.
Finora, GE Vernova segnala che oltre 120 delle sue turbine a gas, di sette modelli, tra cui 7HA, 9HA, 7F, 6F, 6B, 9E e LM6000, hanno già funzionato con idrogeno o miscele di idrogeno e gas naturale, accumulando oltre 8,5 milioni di ore di funzionamento. Mentre la sua turbina aeroderivata LM6000 ha dimostrato un funzionamento di successo sul campo con una percentuale di idrogeno fino al 100%, la sua turbina per impieghi gravosi 7HA.03 è in fase di sviluppo per supportare la combustione di miscele di idrogeno fino al 50% in volume. Tali capacità sono rafforzate dal continuo sviluppo da parte di GE Vernova dei sistemi di combustione DLN, ma l'azienda afferma di stare anche collaborando attivamente con clienti globali per convalidare le prestazioni dell'idrogeno e ampliarne l'implementazione sia nei progetti di nuova costruzione che in quelli di ammodernamento, supportando al contempo gli sforzi di ricerca e sviluppo sostenuti dal governo, come il programma HyBlend del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, per accelerare la commercializzazione e l'integrazione dell'idrogeno nella generazione distribuibile.
"L'utilizzo dell'ammoniaca come combustibile per la produzione di energia offre numerosi vantaggi, tra cui la presenza di una catena di approvvigionamento globale", osserva l'azienda. "Come combustibile, l'ammoniaca è composta da azoto e idrogeno; non da carbonio. Pertanto, una turbina a gas alimentata ad ammoniaca avrà praticamente zero emissioni di carbonio (potrebbero esserci tracce di emissioni dovute all'anidride carbonica presente nell'aria utilizzata per la combustione)." Inoltre, "Le sfide implementative associate all'idrogeno includono infrastrutture di condotte e navi di trasporto limitate, nonché temperature di raffreddamento estreme. Esistono pochissime condotte in grado di trasportare idrogeno. La condensazione dell'idrogeno da gas a liquido richiede un raffreddamento a -253 °C (-423 °F). L'ammoniaca deve essere raffreddata solo a -33 °C (-28 °F) per essere immagazzinata allo stato liquido; una temperatura molto più alta rispetto a quella dell'idrogeno. L'idrogeno liquido può essere trasportato via nave, ma oggi la capacità è limitata", afferma.
Anche l'abbondanza di ammoniaca è un vantaggio importante, suggerisce. "L'ammoniaca è la seconda sostanza chimica più prodotta al mondo; della quantità prodotta, circa il 10% viene trasportato via nave ogni anno. Sono operative circa 170 navi in grado di trasportare ammoniaca, di cui 40 trasportano ammoniaca ininterrottamente, il che implica un'adeguata infrastruttura portuale e di trasporto. Poiché l'ammoniaca viene prodotta dall'idrogeno, può essere convertita o crackizzata in idrogeno per l'uso finale dopo il trasporto. Pertanto, vi è un crescente interesse nell'utilizzo dell'ammoniaca come metodo per il trasporto dell'idrogeno."
GE Vernova ha osservato che l'interesse del mercato sta crescendo in paesi come Cina, Indonesia, Malesia, Thailandia e Giappone, che "hanno espresso l'intenzione di esplorare la co-combustione dell'ammoniaca nelle centrali a carbone come parte dei loro sforzi di decarbonizzazione. Vi è un crescente sostegno governativo nella regione, evidente nei recenti sviluppi in Giappone e Corea del Sud". Anche l'interesse per l'ammoniaca come potenziale combustibile a gas per l'energia elettrica è tangibile, suggerisce.
L'avvio delle operazioni presso il nuovo LCT segna una nuova fase nei test richiesti per i sistemi delle centrali elettriche, ha affermato l'azienda. "Questo annuncio segna un passaggio dagli studi iniziali sulla catena del valore dell'ammoniaca all'implementazione pratica di tecnologie e progetti ingegneristici, con l'obiettivo di decarbonizzare la produzione di energia utilizzando l'ammoniaca come combustibile", ha affermato Jeffrey Goldmeer , direttore senior per la strategia tecnologica di GE Vernova. " Questo segna una nuova fase di collaborazione tra GE Vernova e IHI, con l'obiettivo di sviluppare percorsi di decarbonizzazione che salvaguardino gli investimenti esistenti nella produzione di energia".
— Sonal Patel è un caporedattore di POWER ( @sonalcpatel , @POWERmagazine ).
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