Les turbines à gaz sont-elles prêtes pour l'économie de l'hydrogène ?
Une équipe de recherche internationale démontre l'influence de l'hydrogène sur les superalliages à base de nickel à haute température
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Peut-on alimenter les turbines à gaz à l'hydrogène plutôt qu'aux combustibles fossiles et réduire de 15 % les émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO₂) ? Les turbines à gaz produisent environ 22 % de l'électricité mondiale. Le remplacement des combustibles fossiles constitue une étape clé vers une production d'électricité plus durable. L’hydrogène est largement considéré comme un carburant alternatif prometteur pour les turbines à gaz, tant dans le secteur de la production d’électricité que dans celui de l’aviation. Cependant, avant que l’hydrogène puisse être utilisé en toute sécurité à grande échelle, les chercheurs doivent mieux comprendre comment il affecte les matériaux exposés aux conditions de fonctionnement extrêmes à l’intérieur des turbines.
Si l’interaction entre l’hydrogène et les matériaux métalliques a été largement étudiée à température ambiante, on en sait beaucoup moins sur ses effets aux températures élevées que l’on retrouve dans les turbines à gaz. Une équipe internationale de chercheurs a désormais étudié comment l’hydrogène affecte les superalliages à base de nickel – le matériau de prédilection pour les turbines à gaz – à des températures élevées. Leurs résultats indiquent que la fragilisation induite par l’hydrogène peut être au moins deux fois plus grave, ce qui représente un défi de taille pour les composants qui doivent répondre aux normes les plus strictes en matière de sécurité et de fiabilité. Des chercheurs de l’Institut Max Planck pour les matériaux durables (MPI-SusMat) et leurs collaborateurs ont publié ces nouvelles découvertes dans la revue Nature Materials.
Pourquoi le piégeage de l’hydrogène à haute température échoue
« Lorsque l’hydrogène pénètre dans un superalliage à base de nickel à température ambiante, il est généralement piégé au niveau des interfaces et des dislocations. À des températures élevées, les atomes d’hydrogène migrent vers les lacunes de carbone au sein des carbures, provoquant leur décomposition partielle. De plus, les atomes d’hydrogène et de carbone réagissent et forment du méthane. Ce méthane sous haute pression exerce une forte pression interne locale qui affaiblit les interfaces et favorise l’apparition de dommages », explique le Dr Xizhen Dong, chercheuse postdoctorale au MPI-SusMat et l’une des premières autrices de cette récente publication.
Dong et ses collègues ont étudié l’influence de l’hydrogène sur les superalliages à base de nickel dans une plage de températures comprise entre 400 °C et 1 000 °C. En combinant la tomographie par sonde atomique et des calculs de théorie fonctionnelle de la densité, les chercheurs ont pu montrer que les mécanismes de dégradation des superalliages à base de nickel exposés à l’hydrogène changent fondamentalement en fonction des températures de fonctionnement. La dégradation ne se produit qu’à 400 °C, tandis qu’aucune formation de méthane n’est observée au-delà de cette température. « Ce que nous avons découvert ici est essentiel, en particulier pour les turbines à gaz et les turbines aériennes qui, contrairement aux turbines à vapeur fixes, sont fréquemment mises en marche et arrêtées et sont donc soumises à un spectre de températures et de charges plus large, dans lequel des effets de fragilisation peuvent se produire », explique le professeur Dierk Raabe, directeur du MPI-SusMat et l’un des auteurs correspondants.
Conception de superalliages à base de nickel résistants à l’hydrogène
Après avoir démontré que les carbures constituent la porte d’entrée de la fissuration induite par l’hydrogène, la conception future des alliages visera à adapter leur microstructure en remplaçant les carbures. Les carbures étant largement utilisés pour renforcer les alliages haute performance, de nouvelles stratégies de renforcement seront nécessaires. Une autre solution consisterait à trouver un équilibre entre la résistance mécanique apportée par les carbures et la résistance à la fragilisation par l’hydrogène.
Ces résultats soulignent la nécessité de disposer de cadres mécanistiques et de modèles prédictifs spécifiques à chaque température pour décrire les dommages induits par l’hydrogène, non seulement dans les superalliages à base de nickel, mais aussi dans d’autres alliages contenant des carbures, notamment les aciers et les composites métal-céramique, et ouvrent la voie à de futurs systèmes énergétiques et de transport aérien utilisant des turbines à gaz alimentées à l’hydrogène.
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