Addasu Dyluniad Tyrbinau Nwy ar gyfer Amgylchiadau Byd-eang sy’n Newid

Mae cludo nwy naturiol hylifedig (LNG) bellach yn ddiwydiant byd-eang

Dr Seif-Eddine Zitouni – Prifysgol Caerdydd

Mae dibyniaeth y byd ar nwy naturiol fel ffynhonnell ynni wedi bod yn cynyddu ers degawdau lawer, tuedd sy’n debygol o barhau am flynyddoedd eto. Mae cyflenwad ysbeidiol o drydan o ffynonellau adnewyddadwy, argaeledd cyfyngedig tanwyddau ffosil eraill a rheolaethau llymach ar allyriadau i gyd yn arwain at gynnydd yn y defnydd o nwy naturiol ar gyfer trydan a gwres. Yn y DU, roedd cyfanswm y cyflenwad ynni a ddeilliai o nwy naturiol yn 35.3% yn 2018, o’i gymharu â 4.7% yn 1970; gyda glo wedi gostwng o 43.9% i 3.9% yn yr un cyfnod [1].

Mae nwy naturiol fel arfer yn gymysgedd o nwyon hydrocarbon sy’n amrywio yn ôl eu tarddiad, sut y cafodd ei echdynnu a’r broses buro. Yn y DU a Gogledd Ewrop roedd hynny’n arfer golygu nwy Môr y Gogledd, a oedd yn cynnwys tua 95% o fethan. Mewn mannau eraill gall y gwahaniaeth fod yn sylweddol; mae un set o enghreifftiau yn dangos bod yr UDA ac Abu Dhabi yn cynnwys rhwng 80 a 85% o fethan, gyda’r gweddill yn ethan yn bennaf, ac mae gan Ganada gyfran uwch o bropan (tua 3%). Mae amrywiadau bychain yng nghymysgedd y nwy naturiol yn gallu cael effaith fawr ar hylosgiad sy’n golygu amrywiadau mawr mewn allbwn ynni, diogelwch y gweithrediad ac allyriadau tyrbinau nwy. Yn draddodiadol, byddai tyrbinau nwy yn cael eu hoptimeiddio ar gyfer y cyflenwad nwy lleol ac yn hanesyddol ni fyddai ei gyfansoddiad yn amrywio llawer.

Ffordd ansicr o’n blaenau

Fodd bynnag, mae’r amgylchiadau sy’n gysylltiedig â nwy naturiol wedi newid yn gyflym yn y blynyddoedd diwethaf, gan orfodi gweithgynhyrchwyr a gweithredwyr tyrbinau nwy i addasu eu busnesau.

Mae datblygiadau modern yn y ffordd mae nwy naturiol yn cael ei baratoi a’i gludo mewn ffurf hylifedig (Nwy Naturiol Hylifedig, neu LNG) yn golygu bod cludo nwy naturiol o amgylch y bydd yn awr yn ymarferol. Mae cyflenwadau lleol sy’n prinhau mewn rhai rhannau o’r byd ynghyd â masnach gynyddol mewn LNG yn golygu na all gweithgynhyrchwyr a gweithredwyr tyrbinau nwy bellach ddibynnu ar y cymysgedd nwy maent wedi bod yn gyfarwydd ag ef yn y gorffennol. Rhaid i dyrbinau’n awr fod yn hyblyg o ran paramedrau eu dyluniad a’u gweithrediad.

Gan ychwanegu at gymhlethdod y map ffordd ar gyfer dyluniad tyrbinau nwy, nid yw llunwyr polisïau ledled y byd na chynhyrchwyr a chyflenwyr nwy yn siŵr sut yn union fydd y rhwydwaith nwy yn edrych yn y dyfodol mewn byd sero net erbyn 2050.

Golyga hyn ei bod yn bwysig bod ymchwil i dyrbinau nwy yn ymchwilio i bob cymysgedd nwy posibl ac i danwyddau amgen.

Cludo nwy naturiol hylifedig (LNG)

Mae pryderon ynglŷn â sicrwydd a chyflenwad tanwydd wedi arwain at economi tanwydd wedi’i hoptimeiddio, gyda llai o lygrwyr ynghyd â’r posibilrwydd o fabwysiadu tanwyddau a thechnegau hylosgi eraill, oeri fflamau a hylosgi di-fflam ymhlith technegau eraill. Fodd bynnag, i weithredu’r dulliau hyn, rhaid gwneud ymchwil fanwl i gael dealltwriaeth o ymddygiad hylosgi gyda nodweddion ffisio-gemegol. Prif nod yr ymchwil oedd ymchwilio i effaith hyblygrwydd tanwydd a chyfnewidioldeb ar dyrbinau nwy, gan edrych yn benodol ar ddylanwad mewnforion LNG a chymysgu hydrogen i’r rhwydwaith nwy naturiol.

Mabwysiadu dull darbodus

Mae cymysgu nwy naturiol gyda hydrogen yn denu cefnogaeth fel opsiwn i ddatgarboneiddio’r grid nwy yn y tymor byr a bydd hefyd yn arwain y ffordd yn y pen draw i newid i economi hydrogen lawn.

Effaith amnewid hydrogen am gyfran o’r nwyon hydrocarbon yw cynnydd yng nghyflymder y fflam, paramedr allweddol wrth ddisgrifio sut mae’r nwy yn llosgi. Mi all cyflymder fflam uwch olygu y gall y tyrbin nwy redeg yn fwy ‘darbodus’, sef ei fod yn defnyddio cymhareb aer i danwydd uwch.

Mae hyn yn arwain at dymheredd fflam is a llai o allyriadau. Mae tymheredd y fflam yn brif ddangosydd o lygrwyr niweidiol; mae tymheredd is yn golygu bod llai o gyfansoddion Ocsid Nitrus (NOx) yn ffurfio, ac mae llai o nwy hydrocarbon yn y cymysgedd yn creu llai o Garbon Monocsid (CO) yn ogystal â lleihau’r allbwn Carbon Deuocsid (CO2).

Roedd yr ymchwil a gynhaliwyd yng Nghanolfan Ymchwil Tyrbinau Nwy Prifysgol Caerdydd yn canolbwyntio ar ddylanwad newid yn y cymysgedd nwy naturiol / hydrogen ar derfynau sefydlogrwydd gweithrediad darbodus. Mae cymysgeddau o hyd at 50% hydrogen a 50% nwy naturiol wedi eu profi, gan arwain at arsylwadau diddorol o sefydlogrwydd fflamau. Defnyddiwyd sinematograffi buanedd uchel i gofnodi delweddau o ddatblygiad fflam sfferaidd wrth iddi ehangu o fewn y llestr hylosgi arbenigol. Gyda darlun mwy cyflawn o ymddygiad sylfaenol fflamau hydrogen/nwy naturiol wedi’u cymysgu’n barod, bu’r ymchwilwyr yn edrych ar ymddygiad terfyn darbodus, fflamau tyrfol gan ddefnyddio llosgwr chwyrlïog generig wedi’i gymysgu’n barod, sy’n fwy cynrychioliadol o gyfluniadau tyrbinau nwy masnachol.

Delweddau buanedd uchel o fflamau sfferaidd

Ailddiffinio hen safonau ar gyfer yfory newydd

Un o ganfyddiadau pwysig yr ymchwil oedd darganfod sut mae’r diwydiant tyrbinau nwy yn nodweddu cyfnewidioldeb nwyon. Efallai na fydd paramedrau cyfredol fel Mynegai Wobbe yn addas i nodweddu cyflenwad tanwydd amrywiol y dyfodol. Mae’r mynegeion nodweddu hyn yn defnyddio perthnasoedd a chyfrifiadau y gwelwyd nad ydynt o reidrwydd yn wir wrth ystyried cymysgeddau nwy’r dyfodol, sy’n golygu y gallai dau wahanol gymysgedd o nwyon gyda’r un gwerth ar Fynegai Wobbe losgi’n gwbl wahanol. O ganlyniad, mi all amrywiadau mewn amseroedd oedi cyn tanio, buanedd fflamau, tymheredd fflamau a chemeg fflamau arwain at ganlyniadau difrifol posibl mewn tyrbinau gan arwain at broblemau allyriadau a diogelwch.

Gyda mwy a mwy o hyblygrwydd mewn tanwydd yn edrych yn debygol yn y dyfodol, bydd angen ymchwil sylfaenol iawn i ddefnydd effeithlon, diogel a glân o dyrbinau nwy. Mae’r ymchwilwyr arbenigol a’r cyfleusterau profi arloesol a ddatblygwyd yng Nghanolfan Ymchwil Tyrbinau Nwy Prifysgol Caerdydd yn Ardal Arddangos FLEXIS yn datblygu galluoedd ymchwil hanfodol i arwain dyluniad tyrbinau nwy hyblyg iawn sy’n addas ar gyfer diwydiant ynni carbon isel.

[1] https://ourworldindata.org/energy