A combustão bem-sucedida do hidrogênio é crucial para um futuro de energia limpa. Graças ao financiamento do programa ACCESS da Fundação Nacional de Ciência (NSF), pesquisadores da Universidade da Califórnia, em San Diego, fizeram progressos significativos no controle de chamas de hidrogênio usando tecnologia de simulação de alta precisão, com potencial para remodelar o projeto de futuras turbinas a gás com emissão zero de carbono.

Liderada pelo professor Antonio L. Sanchez, a equipe de pesquisa simulou um cenário onde hidrogênio diluído em nitrogênio girava e era injetado em ar de alta temperatura e alta pressão, imitando as condições reais de uma câmara de combustão de turbina a gás. O objetivo era identificar as condições de fluxo que permitiriam uma combustão estável e confiável da "chama suspensa". Embora a combustão do hidrogênio seja limpa, sua taxa e intensidade de combustão a tornam instável e exigem controle cuidadoso. Sanchez explicou: "Fornecemos aos engenheiros de projeto um roteiro baseado em princípios físicos que mostra o comportamento do hidrogênio em um ambiente real de turbina. Chamas instáveis ​​podem danificar o hardware, reduzir a eficiência e causar perdas."

Uma inovação fundamental da pesquisa reside na comparação de dois modelos químicos. Um mecanismo de oxidação completo e detalhado, com 20 etapas, demonstra com precisão o processo de conversão do hidrogênio em água, rastreando todas as etapas para permitir que os cientistas compreendam com exatidão o comportamento da chama. No entanto, as simulações são demoradas. O sistema Expanse do SDSC tornou isso possível e foi denominado "mecanismo de Sanchez de 20 etapas". O segundo modelo simplificado integra todas as reações em um único processo holístico, opera sob condições de alta pressão dentro da turbina a gás, funciona mais rapidamente e produz resultados quase idênticos aos do modelo completo. Isso permite que os engenheiros estudem com mais eficiência a estabilidade da chama e o desempenho da turbina.

Os cientistas descobriram que o número de turbulência e o número de Damcole são fatores-chave para a estabilidade da chama de hidrogênio, identificando um "ponto ideal" para essa estabilidade. A pesquisa também mostra que os "vórtices" dentro das turbulências internas são cruciais para a estabilidade da chama, orientando o projeto de motores mais seguros e eficientes. O supercomputador Expanse do SDSC permitiu que a equipe de pesquisa explorasse várias combinações de turbulência e condições de fluxo em alta resolução. Sanchez comentou: "Recursos computacionais em larga escala reduzem os riscos de engenharia e aceleram o cronograma para o desenvolvimento de combustíveis limpos." Para a indústria, a pesquisa fornece um "roteiro" para o comportamento da chama de hidrogênio, acelerando a comercialização; para a sociedade, acelera a transição para a geração de energia com zero emissão de carbono, resultando em um ar mais limpo. Sanchez afirmou: "O hidrogênio se tornará um combustível essencial e devemos garantir sua combustão segura, confiável e eficiente."