Estão as turbinas a gás preparadas para a economia do hidrogénio?
Equipa de investigação internacional demonstra como o hidrogénio afeta as superligas à base de níquel a temperaturas elevadas
Anúncios
Será possível alimentar as turbinas a gás com hidrogénio, em vez de combustíveis fósseis, e reduzir em 15 % as emissões globais de dióxido de carbono (CO₂)? As turbinas a gás geram cerca de 22 % da eletricidade mundial. A substituição dos combustíveis fósseis constitui um passo fundamental para uma produção de energia mais sustentável. O hidrogénio é amplamente considerado um combustível alternativo promissor para turbinas a gás, tanto na produção de energia como na aviação. No entanto, antes de o hidrogénio poder ser utilizado com segurança em grande escala, os investigadores precisam de compreender melhor como este afeta os materiais expostos às condições operacionais extremas no interior das turbinas.
Embora a interação entre o hidrogénio e os materiais metálicos tenha sido amplamente estudada à temperatura ambiente, sabe-se muito menos sobre os seus efeitos às temperaturas elevadas encontradas nas turbinas a gás. Uma equipa internacional de investigadores investigou agora como o hidrogénio afeta as superligas à base de níquel — o material de eleição para as turbinas a gás — a temperaturas elevadas. Os resultados indicam que a fragilização induzida pelo hidrogénio pode ser, pelo menos, duas vezes mais grave, o que representa um desafio significativo para os componentes que têm de cumprir os mais elevados padrões de segurança e fiabilidade. Investigadores do Instituto Max Planck para Materiais Sustentáveis (MPI-SusMat) e os seus colaboradores publicaram novas descobertas na revista «Nature Materials».
Por que razão a retenção de hidrogénio a temperaturas elevadas falha
«Quando o hidrogénio entra numa superliga à base de níquel à temperatura ambiente, fica normalmente retido nas interfaces e nas deslocações. A temperaturas elevadas, os átomos de hidrogénio migram para as lacunas de carbono nos carbonetos, provocando a sua decomposição parcial. Além disso, os átomos de hidrogénio e de carbono reagem e formam metano. Este metano altamente pressurizado exerce uma elevada pressão interna local que enfraquece as interfaces e promove danos», explica a Dra. Xizhen Dong, investigadora de pós-doutoramento no MPI-SusMat e uma das primeiras autoras da recente publicação.
Dong e os seus colegas testaram como o hidrogénio afeta as superligas à base de níquel num intervalo de temperaturas entre 400 °C e 1000 °C. Ao combinar a tomografia por sonda atómica com cálculos da teoria funcional da densidade, os investigadores conseguiram demonstrar que os mecanismos de degradação nas superligas à base de níquel expostas ao hidrogénio mudam fundamentalmente consoante as temperaturas de funcionamento. A degradação ocorre apenas a 400 °C, enquanto acima dessa temperatura não se observa formação de metano. «O que descobrimos aqui é essencial, especialmente para turbinas a gás e turbinas de voo, que, ao contrário das turbinas a vapor estacionárias, são frequentemente ligadas e desligadas e, por isso, estão sujeitas a um espectro mais amplo de temperaturas e cargas, onde podem ocorrer efeitos de fragilização», explica o professor Dierk Raabe, diretor do MPI-SusMat e um dos autores correspondentes.
Conceção de superligas à base de níquel resistentes ao hidrogénio
Tendo demonstrado que os carbonetos são a porta de entrada para a fissuração induzida pelo hidrogénio, o projeto futuro de ligas terá como objetivo adaptar a microestrutura da liga através da substituição dos carbonetos. Uma vez que os carbonetos são amplamente utilizados para reforçar ligas de alto desempenho, serão necessárias novas estratégias de reforço. Em alternativa, terá de ser encontrado um equilíbrio entre a resistência mecânica proporcionada pelos carbonetos e a resistência à fragilização por hidrogénio.
Estas descobertas sublinham a necessidade de quadros mecanísticos específicos para cada temperatura e de modelos preditivos para descrever os danos induzidos pelo hidrogénio, não só nas superligas à base de níquel, mas também noutras ligas que contêm carbonetos, incluindo aços e compósitos metal-cerâmicos, e abrem caminho para futuros sistemas de energia com turbinas a gás alimentadas a hidrogénio e para os sistemas de tráfego aéreo.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Outras notícias do departamento ciência
