¿Están preparadas las turbinas de gas para la economía del hidrógeno?
Un equipo internacional de investigación demuestra cómo afecta el hidrógeno a las superaleaciones a base de níquel a temperaturas elevadas
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¿Podemos alimentar las turbinas de gas con hidrógeno en lugar de combustibles fósiles y reducir en un 15 % las emisiones mundiales de dióxido de carbono (CO₂)? Las turbinas de gas generan alrededor del 22 % de la electricidad mundial. La sustitución de los combustibles fósiles es un paso clave hacia una generación de energía más sostenible. El hidrógeno se considera ampliamente un combustible alternativo prometedor para las turbinas de gas, tanto en la generación de energía como en la aviación. Sin embargo, antes de que el hidrógeno pueda utilizarse de forma segura a gran escala, los investigadores deben comprender mejor cómo afecta a los materiales expuestos a las condiciones de funcionamiento extremas que se dan en el interior de las turbinas.
Si bien la interacción entre el hidrógeno y los materiales metálicos se ha estudiado exhaustivamente a temperatura ambiente, se sabe mucho menos sobre sus efectos a las altas temperaturas que se dan en las turbinas de gas. Un equipo internacional de investigadores ha estudiado ahora cómo afecta el hidrógeno a las superaleaciones a base de níquel —el material preferido para las turbinas de gas— a altas temperaturas. Sus resultados indican que la fragilización inducida por el hidrógeno puede ser al menos el doble de grave, lo que supone un reto importante para los componentes que deben cumplir con los más altos estándares de seguridad y fiabilidad. Investigadores del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles (MPI-SusMat) y sus colaboradores han publicado los nuevos hallazgos en la revista *Nature Materials*.
Por qué falla la retención de hidrógeno a temperaturas elevadas
«Cuando el hidrógeno penetra en una superaleación a base de níquel a temperatura ambiente, suele quedar atrapado en las interfaces y las dislocaciones. A temperaturas elevadas, los átomos de hidrógeno migran hacia las vacantes de carbono dentro de los carburos, provocando su descomposición parcial. Además, los átomos de hidrógeno y carbono reaccionan y forman metano. Este metano altamente presurizado ejerce una elevada presión interna local que debilita las interfaces y favorece la aparición de daños», explica la Dra. Xizhen Dong, investigadora posdoctoral en el MPI-SusMat y una de las primeras autoras de la reciente publicación.
Dong y sus colegas analizaron cómo afecta el hidrógeno a las superaleaciones a base de níquel en un rango de temperaturas de entre 400 °C y 1000 °C. Mediante la combinación de la tomografía de sonda atómica y cálculos de la teoría del funcional de la densidad, los investigadores pudieron demostrar que los mecanismos de degradación en las superaleaciones a base de níquel expuestas al hidrógeno cambian radicalmente en función de las temperaturas de funcionamiento. La degradación solo tiene lugar a 400 °C, mientras que por encima de esa temperatura no se observa formación de metano. «Lo que hemos descubierto aquí es esencial, especialmente para las turbinas de gas y las turbinas de aviación, que, a diferencia de las turbinas de vapor fijas, se encienden y apagan con frecuencia y, por lo tanto, están sometidas a un espectro de temperaturas y cargas más amplio en el que pueden producirse efectos de fragilización», explica el profesor Dierk Raabe, director del MPI-SusMat y uno de los autores correspondientes.
Diseño de superaleaciones a base de níquel resistentes al hidrógeno
Una vez demostrado que los carburos son la puerta de entrada para el agrietamiento inducido por el hidrógeno, el diseño futuro de las aleaciones tendría como objetivo adaptar la microestructura de la aleación sustituyendo los carburos. Dado que los carburos se utilizan ampliamente para reforzar las aleaciones de alto rendimiento, serán necesarias nuevas estrategias de refuerzo. Como alternativa, habrá que encontrar un equilibrio entre la resistencia mecánica que aportan los carburos y la resistencia a la fragilización por hidrógeno.
Estos hallazgos subrayan la necesidad de marcos mecánicos específicos para cada temperatura y de modelos predictivos que describan el daño inducido por el hidrógeno, no solo en las superaleaciones a base de níquel, sino también en otras aleaciones que contienen carburos, incluidos los aceros y los compuestos metalocerámicos, y allanan el camino para los futuros sistemas de energía con turbinas de gas alimentadas con hidrógeno y para el tráfico aéreo.
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