Никто не говорит об этом слабом звене в водородной экономике: металле
Существующие газовые турбины не готовы работать на водороде, по мнению исследователей из Германии, Китая и Франции, которые только что опубликовали исследование в Nature Materials.
Водородное топливо как устойчивое энергетическое решение вызывает большой ажиотаж, хотя, чтобы оно действительно было без выбросов, его необходимо получать из воды с использованием возобновляемых источников энергии.
В настоящее время большая часть водорода в мире производится из природного газа, ископаемого топлива, в процессе, в результате которого в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа.
Но еще одна серьезная проблема, стоящая перед водородной экономикой, менее известна: ее инфраструктура.
Водород — самая маленькая из всех молекул, намного меньше метана (основного компонента природного газа).
Мы уже знали, что водород может воздействовать на металлические трубы и резервуары, через которые он движется, даже при температуре окружающей среды: с этой проблемой уже сталкивались компании при его транспортировке по Соединенным Штатам.
Крошечные молекулы водорода могут легко проникнуть в укромные уголки и трещины в стальных трубах, например, делая сплав хрупким.
«Суть: это не так просто, как просто проталкивать водород в существующую инфраструктуру», — сказал ученый-энергетик Массачусетского технологического института Эмре Генсер еще в 2023 году.
Генсер имел в виду проблемы, с которыми приходится сталкиваться. транспортировка и хранение водорода, но новое исследование показывает, что это не единственные элементы инфраструктуры, которые необходимо будет заменить в водородной экономике.
При высоких и переменных температурах внутри газовой турбины способность водорода «охрупчивать» оборудование приводит к перегрузке.
С помощью механических испытаний в условиях высоких температур и давления исследователи внимательно изучили, что происходит внутри турбин, работающих на водородном газе, изготовленных из стандартного для отрасли суперсплава на основе никеля. (IN718) – когда они приближались к температуре до 600°C (1112 градусов по Фаренгейту).
При добавлении тепла водород нанес сплавам вдвое больший вред, чем при температуре окружающей среды, что может быть равнозначно катастрофическому разрушению.
Это говорит о том, что существующая инфраструктура не справится с водородом в качестве источника топлива: потребуется капитальный ремонт и совершенно новые сплавы.
Способ разрушения сплава водородом менялся в зависимости от температуры, и большинство проблем на самом деле возникало на пути к более высоким температурам, от 400 ° C, но ниже 600°C.
При 400°C пластичность турбины снижается на 30 процентов.
«Когда водород попадает в суперсплав на основе никеля при температуре окружающей среды, он обычно задерживается на границах раздела и дислокациях», — объясняет Сичжэнь Донг из Института устойчивых материалов Макса Планка.
«При повышенных температурах атомы водорода мигрируют к углеродным вакансиям в карбидах, вызывая их частичное разложение. Более того, атомы водорода и углерода вступают в реакцию и образуют метан. Этот метан под высоким давлением оказывает высокое локальное внутреннее давление, которое ослабляет границы раздела и способствует повреждению».
Цель карбидов в сплаве — обеспечить прочность, что важно, когда задача металла — удерживать газы под высоким давлением и противостоять силам, которым подвергается турбина.
Однако исследование показывает, что карбидно-упрочненные сплавы не подходят для водородных технологий.
С другой стороны, существующие сплавы, способные противостоять водородному охрупчиванию, имеют тенденцию быть довольно мягкими, что тоже не идеально.
Ученые уже работают над поиском более подходящих материалов для транспортировки и хранения водорода.
Одна исследовательская группа добилась успеха, смешав скандий с алюминиево-магниевым сплавом, чтобы повысить прочность материала на 40 процентов и его устойчивость к водородному охрупчиванию почти в пять раз.
По теме: Пластиковые отходы превращаются непосредственно в водородное топливо — сортировка не требуется
Но когда дело доходит до горячих вращающихся частей турбины, предстоит проделать гораздо больше работы и найти новые сплавы.
«Эти результаты могут послужить важным фактором при проектировании материалов при разработке газовых турбин, работающих на водороде, и авиационных двигателей», — добавляют редакторы журнала.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.
