Turbine a gas più pulite grazie alla produzione additiva
La nuova tecnologia è adatta a molti tipi di combustibile ed è destinata a dare impulso alla transizione energetica
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Le turbine a gas possono generare elettricità dal gas naturale quando l’energia solare ed eolica non sono sufficienti a soddisfare la domanda energetica. L’obiettivo è farle funzionare con le minori emissioni di carbonio possibili utilizzando idrogeno, metanolo o altri e-fuel. I ricercatori dell’Università di Stoccarda stanno sviluppando sistemi di iniezione per turbine a gas compatte in grado di bruciare in modo pulito un’ampia varietà di combustibili e di essere integrati direttamente nel bruciatore tramite produzione additiva.
«Non è più insolito ricorrere alla produzione additiva per costruire turbine a gas. Tuttavia, questo non è stato generalmente il caso per uno dei componenti più importanti: i sistemi di iniezione che spruzzano il combustibile nella camera di combustione», afferma il dott. Fabian Hampp, responsabile del gruppo di ricerca junior presso l’Istituto di Tecnologia della Combustione per l’Ingegneria Aerospaziale (IVLR) dell’Università di Stoccarda.
Insieme al Prof. Dr. Hans-Christian Möhring, direttore dell’Istituto per le Macchine Utensili (IFW) dell’Università di Stoccarda, e al Dr. Oliver Lammel, ricercatore senior presso l’Istituto di Tecnologia della Combustione del Centro Aerospaziale Tedesco (DLR), Hampp punta a colmare questa lacuna nella ricerca e nello sviluppo e a produrre un iniettore per turbine a gas compatte utilizzando la produzione additiva, al fine di ridurre i costi e consentire la combustione a basse emissioni di un’ampia gamma di combustibili, tra cui idrogeno, e-fuel e combustibili convenzionali. Nell’ambito del progetto di trasferimento tecnologico «Additively Manufactured Micro-Injection Concepts as Enablers for Fuel-Flexible and Low-Emission Combustion Systems» (AMFlexInj), il team intende testare il nuovo processo in vista di un’applicazione su larga scala.
La tecnologia derivata dalle turbine aeronautiche consente una combustione a basso contenuto di fuliggine e di ossidi di azoto
La combustione di gas o liquidi contenenti carbonio (ad esempio benzina, cherosene, gas naturale, metanolo e altri e-fuel) può rilasciare fuliggine e ossidi di azoto, sostanze che devono essere ridotte al minimo poiché dannose per l’ambiente e la salute umana. «Poiché la fuliggine e gli ossidi di azoto si formano principalmente quando il combustibile e l’aria non sono miscelati abbastanza bene, i sistemi di iniezione del combustibile sono progettati per produrre una nebbia di combustibile il più fine possibile e una miscela omogenea», spiega Hampp.
Questo è anche il motivo per cui, almeno per le turbine di dimensioni più ridotte, gli iniettori non sono ancora stati realizzati utilizzando la tecnologia di stampa 3D. Nel processo convenzionale di fusione a letto di polvere dei metalli, un sottile strato di polvere metallica viene distribuito su una piattaforma di costruzione e poi fuso localmente da un laser. Dopo che il materiale si è solidificato, la piattaforma di costruzione viene abbassata, viene applicato un nuovo strato di polvere e il processo viene ripetuto strato dopo strato fino alla completa realizzazione del componente. Strutture complesse come pareti, cavità e passaggi di collegamento prendono forma strato dopo strato. «Il problema è che le superfici di queste strutture stampate non sono mai completamente lisce. Ciò causa difficoltà quando è necessario iniettare una quantità specifica di combustibile in una camera di combustione sotto forma di nebbia fine attraverso aperture molto piccole», afferma Möhring.
Tuttavia, i gruppi di ricerca hanno progettato un sistema di iniezione che funziona nonostante la rugosità dei componenti stampati in 3D. I metodi di produzione additiva sviluppati a questo scopo hanno permesso ai ricercatori di miniaturizzare un principio utilizzato nelle turbine aeronautiche e di incorporarlo per la prima volta in un nuovo design di iniettore. «Questo ci ha permesso di ottenere processi di combustione molto puliti in laboratorio», spiega Möhring. Ciò potrebbe ridurre notevolmente i costi di produzione delle turbine a gas, poiché i bruciatori e le camere di combustione sono spesso già realizzati mediante produzione additiva.
Gli ugelli di iniezione funzionano con combustibili che vanno dall’idrogeno al cherosene
I sistemi di iniezione sono in genere progettati per un tipo specifico di combustibile, ma i nuovi iniettori funzionano con un’ampia varietà di combustibili. Poiché l’idrogeno, il gas naturale e il cherosene, relativamente viscoso, hanno proprietà molto diverse, una miscelazione ottimale tra combustibile e aria è generalmente possibile solo per un combustibile specifico. «Tuttavia, il design speciale dei nostri ugelli consente di bruciare in modo pulito un’ampia gamma di combustibili», afferma Hampp. Questa flessibilità è importante poiché non è ancora chiaro quali combustibili alimenteranno in definitiva le turbine a gas. La possibilità di adeguare le turbine più vecchie con la nuova tecnologia di iniezione potrebbe inoltre contribuire a ridurre la dipendenza geopolitica da determinate fonti energetiche.
Finora, l’iniettore è stato testato solo in condizioni di laboratorio. I team di ricerca intendono ora ottimizzare il processo di produzione additiva e la geometria degli ugelli prima di realizzare un prototipo e testarlo con vari combustibili in condizioni reali, in collaborazione con il DLR di Stoccarda. L’obiettivo è combinare la flessibilità dei combustibili con un’elevata densità di potenza, basse emissioni e costi contenuti.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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