Le turbine a gas sono pronte per l'economia dell'idrogeno?
Un gruppo di ricerca internazionale illustra come l'idrogeno influisca sulle superleghe a base di nichel a temperature elevate
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È possibile alimentare le turbine a gas con idrogeno anziché con combustibili fossili e ridurre del 15% le emissioni globali di anidride carbonica (CO₂)? Le turbine a gas generano circa il 22% dell’elettricità mondiale. La sostituzione dei combustibili fossili rappresenta un passo fondamentale verso una produzione di energia più sostenibile. L’idrogeno è ampiamente considerato un promettente combustibile alternativo per le turbine a gas sia nel settore della produzione di energia elettrica che in quello dell’aviazione. Tuttavia, prima che l’idrogeno possa essere utilizzato in modo sicuro su larga scala, i ricercatori devono comprendere meglio in che modo esso influisca sui materiali esposti alle condizioni operative estreme all’interno delle turbine.
Sebbene l’interazione tra l’idrogeno e i materiali metallici sia stata ampiamente studiata a temperatura ambiente, si sa molto meno sui suoi effetti alle temperature elevate presenti nelle turbine a gas. Un team internazionale di ricercatori ha ora studiato come l’idrogeno influisca sulle superleghe a base di nichel – il materiale di elezione per le turbine a gas – a temperature elevate. I risultati indicano che l’infragilimento indotto dall’idrogeno può essere almeno due volte più grave, rappresentando una sfida significativa per i componenti che devono soddisfare i più elevati standard di sicurezza e affidabilità. I ricercatori del Max Planck Institute for Sustainable Materials (MPI-SusMat) e i loro collaboratori hanno pubblicato i nuovi risultati sulla rivista Nature Materials.
Perché l’intrappolamento dell’idrogeno a temperature elevate fallisce
«Quando l’idrogeno penetra in una superlega a base di nichel a temperatura ambiente, di solito viene intrappolato alle interfacce e nelle dislocazioni. A temperature elevate, gli atomi di idrogeno migrano verso i vuoti di carbonio all’interno dei carburi, causandone la parziale decomposizione. Inoltre, gli atomi di idrogeno e di carbonio reagiscono formando metano. Questo metano altamente pressurizzato esercita un’elevata pressione interna locale che indebolisce le interfacce e favorisce il danneggiamento”, spiega la dott.ssa Xizhen Dong, ricercatrice post-dottorato presso l’MPI-SusMat e una delle autrici principali della recente pubblicazione.
Dong e i suoi colleghi hanno testato come l’idrogeno influisca sulle superleghe a base di nichel in un intervallo di temperatura compreso tra 400 °C e 1000 °C. Combinando la tomografia a sonda atomica con i calcoli della teoria funzionale della densità, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che i meccanismi di degrado nelle superleghe a base di nichel esposte all’idrogeno cambiano radicalmente a seconda delle temperature di esercizio. Il degrado si verifica solo a 400 °C, mentre al di sopra di tale temperatura non si osserva alcuna formazione di metano. «Ciò che abbiamo scoperto è essenziale soprattutto per le turbine a gas e le turbine aeronautiche che, a differenza delle turbine a vapore fisse, vengono accese e spente frequentemente e sono quindi soggette a uno spettro di temperature e carichi più ampio in cui possono verificarsi effetti di infragilimento», spiega il professor Dierk Raabe, direttore dell’MPI-SusMat e uno degli autori corrispondenti.
Progettazione di superleghe a base di nichel resistenti all’idrogeno
Avendo dimostrato che i carburi costituiscono la via d’accesso per la fessurazione indotta dall’idrogeno, la progettazione futura delle leghe mirerà a personalizzare la microstruttura della lega sostituendo i carburi. Poiché i carburi sono ampiamente utilizzati per rafforzare le leghe ad alte prestazioni, saranno necessarie nuove strategie di rinforzo. In alternativa, occorre trovare un equilibrio tra la resistenza meccanica conferita dai carburi e la resistenza all’infragilimento da idrogeno.
Questi risultati sottolineano la necessità di quadri meccanicistici specifici per temperatura e di modelli predittivi per descrivere il danno indotto dall’idrogeno non solo nelle superleghe a base di nichel, ma anche in altre leghe contenenti carburi, inclusi gli acciai e i compositi metallo-ceramici, e aprono la strada ai futuri sistemi energetici a turbina a gas alimentati a idrogeno e ai sistemi di traffico aereo.
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