Superstopy na bazie niklu jako materiał na turbiny gazowe napędzane wodorem

Superstopy niklu – materiał przyszłości dla turbin gazowych napędzanych wodorem

Wodór od lat uznawany jest za paliwo przyszłości. Jego spalanie nie emituje dwutlenku węgla, a jedynie parę wodną. To ogromna przewaga nad paliwami kopalnymi – szczególnie metanem, który dominuje obecnie w produkcji energii. Jednak spalanie czystego wodoru odbywa się w ekstremalnych warunkach, przez co wymaga zastosowania zupełnie innych materiałów konstrukcyjnych, odpornych na wysokie temperatury, duże ciśnienie i obecność pary wodnej. Obecnie takie materiały nie są dostępne, a rozwiązania tego problemu podjął się dr hab. inż. Robert Chulist, prof. uczelni, z Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, stawiając na zaawansowane materiały – superstopy niklu, częściowo znane z przemysłu lotniczego. Projekt, w ramach którego planuje zaprojektować, wytworzyć i wstępnie scharakteryzować nowe materiały do budowy turbin do spalania wodoru, jest finansowany z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG), w działaniu FIRST TEAM, realizowanym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Przewiduje się, że w nieodległej przyszłości wodór stanie się konkurencyjną alternatywą dla paliw kopalnych i odegra istotną rolę w procesie tzw. dekarbonizacji gospodarek światowych. Choć wykorzystanie wodoru jako paliwa ma szereg zalet, to istnieją poważne bariery, które na dzień dzisiejszy uniemożliwiają szerokie jego zastosowanie w energetyce. Trzy główne przeszkody to trudności w magazynowaniu wodoru (trudno jest znaleźć materiały i konstrukcje w pełni szczelne dla tego najmniejszego z pierwiastków), problemy z jego transportem (podobnie jak w przypadku magazynowania, wodór łatwo przenika przez tradycyjne materiały) i wreszcie – samo spalanie. Obecne stosowanie w branży energetycznej materiały konstrukcyjne – głównie stal żaroodporna – nie wytrzymują pracy w warunkach spalania czystego wodoru.

„Rozwiązaniem mogą być superstopy niklu – materiały stosowane dotychczas w lotnictwie, m.in. w łopatkach turbin silników odrzutowych. Odporne na ekstremalne temperatury rzędu 1200°C oraz na naprężenia, superstopy czwartej generacji zawierają jednak bardzo kosztowne pierwiastki. W moich badaniach stawiam więc na tańsze superstopy drugiej generacji, które mają potencjał sprawdzić się w energetyce – gdzie temperatury są nieco niższe (700-800°C ), ale dochodzą inne wyzwania. W turbinach gazowych spalających wodór materiał musi wytrzymać nie tylko wysoką temperaturę, ale i obecność wodoru oraz pary wodnej, która przyspiesza korozję. Dotychczas stosowane materiały takie jak żaroodporne i żarowytrzymałe stale nie są w stanie sprosta tym wyzwaniom” – mówi dr hab. inż. Robert Chulist, prof. AGH.

Celem jego badań jest zatem stworzenie superstopu, który pozwoli na spalanie 100% wodoru (bez domieszek metanu). Projekt obejmuje zaprojektowanie składu chemicznego nowego materiału, wytworzenie próbek laboratoryjnych oraz zaawansowaną analizę ich mikrostruktury i właściwości. Do badań analitycznych wykorzystane zostaną nowoczesne techniki, m.in. transmisyjna mikroskopia elektronowa oraz promieniowanie synchrotronowe, które pozwala zajrzeć w głąb materiału i zrozumieć jego zachowanie na poziomie atomowym w skrajnych warunkach.

„W ramach projektu zamierzam ocenić i scharakteryzować m.in. żarowytrzymałość nowych materiałów, ich wytrzymałość mechaniczną w wysokich temperaturach oraz odporność na korozję wodorową (sprawdzę, jak głęboko wodór wnika w strukturę materiału i jakie defekty w nich powoduje). Dwa najlepiej rokujące materiały zostaną zaproponowane do wdrożenia polskich przedsiębiorstwom, a także przygotowane do potencjalnej komercjalizacji za granicą” – zaznacza prof. Robert Chulist.

Projekt realizowany jest we współpracy z renomowanymi uczelniami: Uniwersytetem Technicznym w Dreźnie w Niemczech oraz University of Illinois i University of Iowa w USA. To jedno z pierwszych tego typu przedsięwzięć na świecie. Jak podkreśla naukowiec z Krakowa, wodór już dziś powstaje jako produkt uboczny w elektrowniach jądrowych, a jego racjonalne wykorzystanie – jako paliwa w turbinach gazowych – może radykalnie zmniejszyć emisję dwutlenku węgla w energetyce. Obecnie brakuje tylko materiału, który wytrzyma proces spalania wodoru. Jeśli takim materiałem okażą się superstopy na bazie niklu, otworzy to drogę do praktycznego zastosowania wodoru jako pełnoprawnego paliwa energetycznego.

Dr inż. Robert Chulist tytuł magistra uzyskał na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a tytuł doktora na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie. Doświadczenia naukowe zdobywał w kraju i za granicą, m.in. w Niemczech (w DESY - Deutsches Elektron-Synchroton) oraz w Finlandii (w Aalto University School of Engineering). Od roku 2013 był zatrudniony na stanowisku adiunkta w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie. Od 2014 r. byłekspertem w Zespole Laboratoriów Badawczych akredytowanych przez Polskie Centrum Akredytacyjne w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN - Laboratoria Skaningowej i Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej w IMIM PAN. Kierownik kilku projektów badawczych, w tym HOMING Plus Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Autor 189 publikacji naukowych z listy JCR.