Journals / Mühendis ve Makina / 2026 / Cilt: 67 Sayı: 722

Effect of Hydrogen Utilization on the Performance of Natural Gas Fired Heating Devices

Doğal Gazlı Isıtma Cihazlarında Hidrojen Kullanımının Performansa Etkisi

Doğukan Karaca(GAZI UNIVERSITY, FACULTY OF TECHNOLOGY, DEPARTMENT OF ENERGY SYSTEMS ENGINEERING, ENERGY SYSTEMS ENGINEERING PR.)0000-0002-3454-786X
Tayfun Menlik(GAZİ ÜNİVERSİTESİ, TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ, ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ, ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI)0000-0003-0970-6600
Pages
147–172
Publication Date
2026-03-30
🏛️Bibliographic metadata and full text access for this article are provided via DergiPark.
DergiPark Record ↗
✨

AI Summary & Key Takeaways

AI Insight
⚡ TL;DR(Too Long; Didn't Read)

Consequently, a volumetric 20% hydrogen blending ratio, with a Wobbe Index of 50.89 MJ/m³ compliant with international standards, was identified as the optimal operating point that can be implemented without requiring structural modifications to existing system components.

📌 3 Key Takeaways

🎯
Objective & Hypothesis:With the acceleration of the global energy transition, reducing fossil fuel dependency and limiting greenhouse gas emissions have become among the most critical engineering challenges of our time.
📊
Key Findings & Data:In this context, hydrogen, whose importance as a clean energy carrier is increasing, constitutes a significant research area in terms of its integration into existing energy infrastructure.
💡
Conclusion & Impact:Consequently, a volumetric 20% hydrogen blending ratio, with a Wobbe Index of 50.89 MJ/m³ compliant with international standards, was identified as the optimal operating point that can be implemented without requiring structural modifications to existing system components.
🔬Design:Modeling & Simulation
📍Scope:Comprehensive Sample
⚙️Variables:Hidrojen oranı · Kompozit yakıt · Yanma analizi

Abstract

With the acceleration of the global energy transition, reducing fossil fuel dependency and limiting greenhouse gas emissions have become among the most critical engineering challenges of our time. In this context, hydrogen, whose importance as a clean energy carrier is increasing, constitutes a significant research area in terms of its integration into existing energy infrastructure. In this study, the effects of blending hydrogen with natural gas at specific ratios on the combustion characteristics, emission performance, and material compatibility of a domestic boiler were investigated, with the aim of improving system performance. Within the scope of this study, the combustion processes of hydrogen-methane composite fuel were numerically examined under various thermal power levels and excess air ratios, taking a combustion chamber geometry as reference. In the modeling performed using Computational Fluid Dynamics (CFD) based software, turbulent flow conditions and chemical reaction mechanisms were addressed simultaneously. Within this framework, temperature distributions, velocity fields, and NOₓ formation zones inside the combustion chamber were modeled through a systematic approach. The obtained data were evaluated to reveal the effects of composite fuel on combustion efficiency and to determine optimum operating conditions. The high reaction rate, wide flammability limits, and low carbon content of hydrogen contributed to enhancing combustion efficiency while significantly reducing carbon based emissions. The thermal effects, material behaviors, and flame structure variations arising from the increase in hydrogen ratio in the composite fuel were evaluated in percentage terms. Numerical analyses revealed that as the volumetric hydrogen ratio increased from 0% to 40%, the maximum flame temperature increased by 5%, CO₂ emissions decreased by 59%, while NOₓ emissions increased from 15.93 ppm to 58.57 ppm. Consequently, a volumetric 20% hydrogen blending ratio, with a Wobbe Index of 50.89 MJ/m³ compliant with international standards, was identified as the optimal operating point that can be implemented without requiring structural modifications to existing system components.

Özet

Küresel enerji dönüşümü sürecinin hız kazanmasıyla birlikte, fosil yakıt bağımlılığının azaltılması ve sera gazı emisyonlarının sınırlandırılması günümüzün en kritik mühendislik problemleri arasında yer almaktadır. Bu bağlamda, temiz enerji taşıyıcısı olarak önemi artan hidrojen, mevcut enerji altyapısına entegrasyonu açısından önemli bir araştırma alanı oluşturmaktadır. Bu çalışmada, hidrojenin doğalgaza belirli oranlarda karıştırılmasının bir kombi ısıtıcısının yanma karakteristiği, emisyon performansı ve malzeme uyumluluğu üzerindeki etkileri araştırılmış ve sistem performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında, bir yanma odası geometrisi referans alınarak, farklı ısıl güç seviyeleri ve hava fazlalık katsayıları altında hidrojen-metan kompozit yakıtının yanma süreçleri sayısal olarak incelenmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) tabanlı yazılım programı kullanılarak gerçekleştirilen modellemede, türbülanslı akış koşulları ve kimyasal reaksiyon mekanizmaları birlikte ele alınmıştır. Bu çerçevede, yanma odası içerisindeki sıcaklık dağılımları, hız alanları ve NOₓ oluşum bölgeleri sistematik bir yaklaşımla modellenmiştir. Elde edilen veriler, kompozit yakıtın yanma verimine etkilerini ortaya koymak ve optimum çalışma koşullarını belirlemek amacıyla değerlendirilmiştir. Hidrojenin yüksek reaksiyon hızı, geniş tutuşma sınırları ve düşük karbon içeriği, yanma verimini artırırken karbon kaynaklı emisyonların önemli ölçüde azaltılmasına katkı sağlamıştır. Kompozit yakıttaki hidrojen oranının artışına bağlı termal etkiler, malzeme davranışları ve alev yapısındaki değişimler yüzdesel olarak değerlendirilmiştir. Sayısal analizler sonucunda, hacimsel hidrojen oranının %0'dan %40'a yükselmesiyle maksimum alev sıcaklığının %5 oranında arttığı, CO₂ emisyonlarının %59 oranında azaldığı, buna karşın NOₓ emisyonlarının 15,93 ppm'den 58,57 ppm'e yükseldiği belirlenmiştir. Çalışma sonucunda, 50,89 MJ/m³ Wobbe indeksi değeriyle uluslararası standartlara uygun olan hacimsel %20 hidrojen karışım oranı, mevcut sistem bileşenlerinde yapısal modifikasyon gerektirmeksizin uygulanabilecek optimum çalışma noktası olarak tespit edilmiştir.

🔖

Cite This Article

Karaca, D., Menlik, T. (2026). Effect of Hydrogen Utilization on the Performance of Natural Gas Fired Heating Devices. Mühendis ve Makina, Cilt: 67 Sayı: 722, 147–172. https://doi.org/10.46399/muhendismakina.1835424

📄 Full Text PDF Viewer

📄

PDF görüntüleyici hazırlanıyor...

References (27)

  1. Cao, W., Liu, F., ve You, X. Y. (2018). Performance of casting aluminum-silicon alloy condensing heating exchanger for gas-fired boiler. Heat and Mass Transfer, 54, 1951–1960. https://doi.org/10.1007/s00231-018-2284-8.
  2. Asia Pacific Energy Research Centre. (2023). Hydrogen Report 2023. APERC. Tokyo. 4. Erişim adresi: https://aperc.or.jp/file/2024/5/30/APERC_Hydrogen_Report_2023_May2024.pdf
  3. Commission Regulation (EU) No 813/2013 of 2 August 2013 implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for space heaters and combination heaters. Official Journal of the European Union, L 239, 136–161. Erişim adresi: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32013R0813
  4. Verhelst, S. ve Wallner, T. (2009). Hydrogen-fueled internal combustion engines. Progress in Energy and Combustion Science, 35(6), 490–527. doi:10.1016/j.pecs.2009.08.001
  5. Büyükakın, M. K. ve Öztuna, S. (2020). Numerical investigation on hydrogen-enriched methane combustion in a domestic back-pressure boiler and non-premixed burner system from flame structure and pollutants aspect. International Journal of Hydrogen Energy, 45(60), 35246–35256. doi:10.1016/j.ijhydene.2020.03.117.
  6. Al-ajmi, R., Qazak, A. H., Sadeq, A. M., Al-Shaghdari, M., Ahmed, S. F. ve Sleiti, A. K. (2025). Numerical investigation of the potential of using hydrogen as an alternative fuel in an industrial burner. Fuel, 385, 134194. doi:10.1016/j.fuel.2024.134194
  7. Boulahlib, M. S., Medaerts, F. ve Boukhalfa, M. A. (2021). Experimental study of a domestic boiler using hydrogen methane blend and fuel-rich staged combustion. International Journal of Hydrogen Energy, 46(75), 37628–37640. doi:10.1016/j.ijhydene.2021.01.103
  8. El-Ghafour, S. A. A., El-dein, A. H. E., Aref, A. A. R. (2010). Combustion characteristics of natural gas–hydrogen hybrid fuel turbulent diffusion flame. International Journal of Hydrogen Energy, 35(6), 2556-2565. doi:10.1016/j.ijhydene.2009.12.049
  9. Tang, C., Zhang, Y., Huang, Z. (2014). Progress in combustion investigations of hydrogen enriched hydrocarbons. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, 195-216. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.10.005
  10. International Energy Agency. (2025). Global Hydrogen Review 2025. IEA. Paris, 45-67. Erişim adresi: https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2025
  11. European Committee for Standardization [CEN]. (2021). EN 437:2021 Test gases — Test pressures — Appliance categories. Brussels, Belgium: CEN.
  12. International Organization for Standardization [ISO]. (2016). ISO 6976:2016 Natural gas — Calculation of calorific values, density, relative density and Wobbe indices from composition. Geneva, Switzerland: ISO.
  13. Jankowski, R., Ślefarski, R., Bauma, I., Varlamov, G. (2025). Thermal and emission performance evaluation of hydrogen-enriched natural gas-fired domestic condensing boilers. Energies, 18(13), 3240. https://doi.org/10.3390/en18133240
  14. Lamioni, R., Bronzoni, C., Folli, M., Tognotti, L. ve Galletti, C. (2023). Impact of H₂-enriched natural gas on pollutant emissions from domestic condensing boilers: Numerical simulations of the combustion chamber. International Journal of Hydrogen Energy, 48(52), 19686-19699. doi:10.1016/j.ijhydene.2023.02.040.
  15. Li, J., Chou, S. K., Yang, W. M. ve Li, Z. W. (2009). A numerical study on premixed micro-combustion of CH₄–air mixture: Effects of combustor size, geometry and boundary conditions on flame temperature. Chemical Engineering Journal, 150(1), 213-222. doi:10.1016/j.cej.2009.02.015
  16. Lipatnikov, A. N. ve Chomiak, J. (2002). Turbulent flame speed and thickness: phenomenology, evaluation, and application in multi-dimensional simulations. Progress in Energy and Combustion Science, 28(1), 1-74. doi:10.1016/S0360-1285(01)00007-7
  17. MARCOGAZ. (2022). Hydrogen quality for blending with natural gas – Technical recommendations. MARCOGAZ Report. Brussels. 4-6.
  18. Middleton, P., Larson, R., Nicklas, M. ve Collins, B. (2003). Renewable hydrogen forum: A summary of expert opinion and policy recommendations. American Solar Energy Society, 14(2),1-79.
  19. Odeh, A. ve Paul, M. C. (2024). Effects of hydrogen enrichment on the heat generation and emission of natural gas turbulent premixed flame. International Journal of Hydrogen Energy, 49(Part B), 1176-1191. doi:10.1016/j.ijhydene.2023.10.140
  20. Roache, P. J. (1994). Perspective: A method for uniform reporting of grid refinement studies. Journal of Fluids Engineering, 116(3), 405-413. https://doi.org/10.1115/1.2910291
  21. Schiro, F., Stoppato, A., Benato, A. (2020). Modelling and analyzing the impact of hydrogen enriched natural gas on domestic gas boilers in a decarbonization perspective. Carbon Resources Conversion, 3, 122-129. https://doi.org/10.1016/j.crcon.2020.08.001
  22. Tahtouh, T., Halter, F., Samson, E. ve Mounaïm-Rousselle, C. (2009). Effects of hydrogen addition and nitrogen dilution on the laminar flame characteristics of premixed methane–air flames. International Journal of Hydrogen Energy, 34(19), 8329–8338. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.07.071
  23. Tunçer, O. (2009). Hidrojenle zenginleştirilmiş metan yakıtının alev hızları ve emisyon değerlerinin kimyasal kinetik analizi. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 29(2), 29–42. Erişim adresi: https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/399887
  24. Wright, M. L., Lewis, A. C. (2022). Emissions of NOx from blending of hydrogen and natural gas in space heating boilers. Elementa: Science of the Anthropocene, 10(1), 00114. https://doi.org/10.1525/elementa.2021.00114
  25. Xin, Y., Wang, K., Zhang, Y., Zeng, F., He, X., Takyi, S. A. ve Tontiwachwuthikul, P. (2021). Numerical simulation of combustion of natural gas mixed with hydrogen in gas boilers. Energies, 14(21), 6883. https://doi.org/10.3390/en14216883
  26. Yılmaz, M. (2012). Türkiye'nin enerji potansiyeli ve yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretimi açısından önemi. Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi, 4(2), 33-54. https://doi.org/10.1501/Csaum_0000000064
  27. İlbaş, M., Yılmaz, İ. ve Kaplan, Y. (2005). Investigations of hydrogen and hydrogen–hydrocarbon composite fuel combustion and NOx emission characteristics in a model combustor. International Journal of Hydrogen Energy, 30(10), 1139-1147. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2004.10.016