Turbinas a gás mais ecológicas através da fabrico aditivo
A nova tecnologia é adequada para vários tipos de combustível e destina-se a impulsionar a transição energética
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As turbinas a gás podem gerar eletricidade a partir do gás natural quando a energia solar e eólica não são suficientes para satisfazer a procura de energia. O objetivo é operá-las com as menores emissões de carbono possíveis, utilizando hidrogénio, metanol ou outros combustíveis sintéticos. Investigadores da Universidade de Estugarda estão a desenvolver sistemas de injeção para turbinas a gás compactas, capazes de queimar uma grande variedade de combustíveis de forma limpa e de serem integrados diretamente no queimador através da fabrico aditivo.
«Já não é invulgar utilizar a fabrico aditiva para construir turbinas a gás. No entanto, isso não tem sido, em geral, o caso de um dos componentes mais importantes — os sistemas de injeção que pulverizam combustível na câmara de combustão», afirma o Dr. Fabian Hampp, líder do Grupo de Investigação Júnior do Instituto de Tecnologia de Combustão para a Engenharia Aeroespacial (IVLR) da Universidade de Estugarda.
Em colaboração com o Prof. Dr. Hans-Christian Möhring, diretor do Instituto de Máquinas-Ferramentas (IFW) da Universidade de Estugarda, e o Dr. Oliver Lammel, investigador sénior no Instituto de Tecnologia de Combustão do Centro Aeroespacial Alemão (DLR), Hampp pretende colmatar esta lacuna de investigação e desenvolvimento e produzir um injetor para turbinas a gás compactas utilizando a fabrico aditivo, a fim de reduzir custos e permitir a combustão com baixas emissões de uma vasta gama de combustíveis, incluindo hidrogénio, e-combustíveis e combustíveis convencionais. No âmbito do projeto de transferência «Conceitos de Microinjeção Fabricados por Fabricação Aditiva como Facilitadores de Sistemas de Combustão Flexíveis em Termos de Combustível e de Baixas Emissões» (AMFlexInj), a equipa pretende testar o novo processo com vista a uma aplicação generalizada.
A tecnologia derivada das turbinas de aeronaves permite uma combustão com baixos níveis de fuligem e óxidos de azoto
A queima de gases ou líquidos que contêm carbono (por exemplo, gasolina, querosene, gás natural, metanol e outros combustíveis sintéticos) pode libertar fuligem e óxidos de azoto, os quais devem ser minimizados, uma vez que são prejudiciais para o ambiente e para a saúde humana. «Como a fuligem e os óxidos de azoto se formam principalmente quando o combustível e o ar não estão suficientemente bem misturados, os sistemas de injeção de combustível são concebidos para produzir a névoa de combustível mais fina possível e uma mistura homogénea», afirma Hampp.
É também por isso que, pelo menos no caso das turbinas mais pequenas, os injetores ainda não foram fabricados utilizando tecnologia de impressão 3D. No processo convencional de fusão de metais em leito de pó, uma fina camada de pó metálico é espalhada sobre uma plataforma de construção e, em seguida, fundida localmente por um laser. Depois de o material se solidificar, a plataforma de construção é baixada, é aplicada uma nova camada de pó e o processo repete-se camada a camada até o componente estar totalmente construído. Estruturas complexas, como paredes, cavidades e passagens de ligação, vão tomando forma camada a camada. «O problema é que as superfícies destas estruturas impressas nunca ficam completamente lisas. Isto causa problemas quando é necessário injetar uma quantidade específica de combustível numa câmara de combustão sob a forma de uma névoa fina através de aberturas muito pequenas», afirma Möhring.
No entanto, os grupos de investigação conceberam um sistema de injeção que funciona apesar da rugosidade dos componentes impressos em 3D. Os métodos de fabrico aditivo desenvolvidos para este fim permitiram aos investigadores miniaturizar um princípio utilizado em turbinas de aeronaves e incorporá-lo, pela primeira vez, num novo design de injetor. «Isto permitiu-nos concretizar processos de combustão muito limpos em laboratório», explica Möhring. Tal poderá reduzir substancialmente os custos de fabrico das turbinas a gás, uma vez que os queimadores e as câmaras de combustão são, muitas vezes, já produzidos através da fabricação aditiva.
Os bicos de injeção funcionam com combustíveis que vão do hidrogénio ao querosene
Os sistemas de injeção são normalmente concebidos para um tipo específico de combustível, mas os novos injetores funcionam com uma grande variedade de combustíveis. Como o hidrogénio, o gás natural e o querosene, relativamente viscoso, têm propriedades muito diferentes, a mistura ideal de combustível e ar só é geralmente possível para um combustível específico. «No entanto, o design especial dos nossos bicos permite a combustão limpa de uma vasta gama de combustíveis», afirma Hampp. Esta flexibilidade é importante, pois ainda não é claro quais os combustíveis que, em última análise, irão alimentar as turbinas a gás. A capacidade de adaptar turbinas mais antigas à nova tecnologia de injeção também poderá ajudar a reduzir a dependência geopolítica de determinadas fontes de energia.
Até ao momento, o injetor só foi testado em condições laboratoriais. As equipas de investigação planeiam agora otimizar o processo de fabrico aditivo e a geometria do bocal antes de construir um protótipo e testá-lo com vários combustíveis em condições reais, em cooperação com o DLR de Estugarda. O objetivo é combinar a flexibilidade de combustível com elevada densidade de potência, baixas emissões e custos reduzidos.
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