ETD

• Ammonia
• Ammoniaca
• Cracking
• Decarbonization
• Decarbonizzazione
• Gas turbine
• Hydrogen
• Idrogeno
• NOx
• Turbina a gas

Decarbonizing the energy sector is one of the major challenges in achieving global climate neutrality by 2050. In this context, the use of carbon-free fuels in gas turbines represents a promising solution for low-emission power generation. Among the most attractive alternatives to natural gas, hydrogen and ammonia exhibit complementary characteristics: hydrogen is highly reactive but difficult to store and transport, whereas ammonia is easier to handle and distribute but suffers from low reactivity. Partial ammonia cracking produces NH3/H2/N2 fuel blends that combine the advantages of both fuels. However, the combustion of these mixtures may promote the formation of nitrogen oxides (NOx), making it essential to identify operating conditions that minimize pollutant emissions. This thesis presents the development of a computationally efficient model based on the Chemical Reactor Network (CRN) methodology to simulate the combustion of ammonia-cracking fuel blends. The model is calibrated and validated against experimental data and subsequently employed to investigate the effects of key operating parameters on NOx emissions. Finally, its potential application to industrial gas turbines operating under high-pressure conditions is assessed, providing a useful tool for the preliminary screening of sustainable combustion strategies.

La decarbonizzazione del settore energetico rappresenta una delle principali sfide per il raggiungimento degli obiettivi di neutralità climatica entro il 2050. In questo contesto, l’impiego di combustibili privi di carbonio nelle turbine a gas costituisce una soluzione promettente per la produzione di energia elettrica a basse emissioni. Tra le alternative al gas naturale, idrogeno e ammoniaca presentano caratteristiche complementari: il primo è altamente reattivo ma complesso da stoccare, mentre la seconda è più facilmente trasportabile ma caratterizzata da una bassa reattività. Il cracking parziale dell’ammoniaca consente di ottenere miscele NH3/H2/N2 che combinano i vantaggi di entrambi i combustibili. Tuttavia, la combustione di tali miscele può favorire la formazione di ossidi di azoto (NOx), rendendo necessario lo studio delle condizioni operative che ne limitino le emissioni. La presente tesi sviluppa un modello a basso costo computazionale basato sulla metodologia dei Chemical Reactor Network (CRN) per la simulazione della combustione di miscele derivanti dal cracking dell’ammoniaca. Il modello è calibrato e validato mediante confronto con dati sperimentali e viene utilizzato per analizzare l’influenza dei principali parametri operativi sulle emissioni di NOx, valutandone inoltre la possibile applicazione a turbine a gas industriali.