Turbiny gazowe zapewniają około 22% produkcji energii elektrycznej w skali globalnej. W wielu strategiach reform energetycznych rozpatrywana jest możliwość zastosowania wodoru jako alternatywnego paliwa do zasilania turbinowych generatorów prądotwórczych i silników lotniczych. Zanim jednak będzie możliwa taka transformacja, pojawia się potrzeba lepszego zrozumienia wyzwań technologicznych, związanych z wpływem czystego wodoru na elementy turbin gazowych w wysokiej temperaturze.
Oddziaływanie wodoru na metale w kontekście jego przechowywania, zarówno w temperaturze pokojowej, jak i niskich temperaturach, zostało gruntownie przebadane. Dostępna wiedza nie oddaje jednak charakteru oddziaływań, zachodzących w ekstremalnie wysokich temperaturach, towarzyszących spalaniu wodoru. W instytucie badawczym MPI-SusMat (Max Planck Institute for Sustainable Materials) przeanalizowano więc wpływ wodoru na Inconel 718 – nadstop niklu – zaawansowany materiał konstrukcyjny, stosowany w budowie turbin gazowych ze względu na odporność korozyjną i oksydacyjną, a także zachowanie wytrzymałości mechanicznej w wysokich temperaturach.
Badania wykazały obecność dwóch zasadniczych mechanizmów wzrostu kruchości, spowodowanych oddziaływaniem wodoru na IN718. Jak tłumaczy dr Xizhen Dong z MPI-SusMat, podczas gdy w temperaturze pokojowej wodór wnika w strukturę stopu na granicy ziaren krystalicznych i w obrębie dyslokacji, w podwyższonej temperaturze sięga głębiej, przenikając do luk (wakansji) węglowych w strukturze wchodzących w skład stopu węglików, powodując ich dekompozycję. Co gorsza, atomy wodoru wchodzą w reakcję z uwolnionymi atomami węgla, co prowadzi do formacji metanu. Sprężony gaz wywiera silne ciśnienie, skutkujące osłabieniem materiału.
Na podstawie analizy wyników badań uznano konieczność uwzględnienia znajomości wspomnianych mechanizmów wzrostu kruchości w procesie syntezy nowych stopów metali na potrzeby perspektywicznych turbin gazowych zasilanych wodorem. Stwierdzono potrzebę selekcji alternatywnego wobec obecności węglików sposobu umacniania struktury materiałów lub znalezienia równowagi pomiędzy zaletami węglików a ich podatnością na oddziaływanie wodoru w podwyższonej temperaturze.
mpie.de
