Turbinas de gas más limpias gracias a la fabricación aditiva
La nueva tecnología es apta para muchos tipos de combustible y tiene como objetivo impulsar la transición energética.
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Las turbinas de gas pueden generar electricidad a partir del gas natural cuando la energía solar y eólica no bastan para satisfacer la demanda energética. El objetivo es hacerlas funcionar con las menores emisiones de carbono posibles utilizando hidrógeno, metanol u otros combustibles sintéticos. Investigadores de la Universidad de Stuttgart están desarrollando sistemas de inyección para turbinas de gas compactas que puedan quemar una amplia variedad de combustibles de forma limpia y que puedan integrarse directamente en el quemador mediante fabricación aditiva.
«Ya no es raro utilizar la fabricación aditiva para construir turbinas de gas. Sin embargo, este no ha sido el caso, en general, de uno de los componentes más importantes: los sistemas de inyección que pulverizan el combustible en la cámara de combustión», afirma el Dr. Fabian Hampp, jefe del grupo de investigación junior del Instituto de Tecnología de Combustión para la Ingeniería Aeroespacial (IVLR) de la Universidad de Stuttgart.
Junto con el Prof. Dr. Hans-Christian Möhring, director del Instituto de Máquinas-Herramienta (IFW) de la Universidad de Stuttgart, y el Dr. Oliver Lammel, investigador sénior del Instituto de Tecnología de Combustión del Centro Aeroespacial Alemán (DLR), Hampp pretende colmar esta laguna en investigación y desarrollo y fabricar un inyector para turbinas de gas compactas mediante fabricación aditiva, con el fin de reducir costes y permitir la combustión con bajas emisiones de una amplia gama de combustibles, incluidos el hidrógeno, los combustibles sintéticos y los combustibles convencionales. En el marco del proyecto de transferencia «Conceptos de microinyección fabricados mediante fabricación aditiva como facilitadores de sistemas de combustión flexibles en cuanto al combustible y con bajas emisiones» (AMFlexInj), el equipo pretende probar el nuevo proceso para su aplicación generalizada.
La tecnología derivada de las turbinas de aviación permite una combustión con bajas emisiones de hollín y óxidos de nitrógeno
La combustión de gases o líquidos que contienen carbono (por ejemplo, gasolina, queroseno, gas natural, metanol y otros combustibles sintéticos) puede liberar hollín y óxidos de nitrógeno, dos sustancias que deben minimizarse, ya que son perjudiciales para el medio ambiente y la salud humana. «Dado que el hollín y los óxidos de nitrógeno se forman principalmente cuando el combustible y el aire no se mezclan lo suficientemente bien, los sistemas de inyección de combustible están diseñados para producir una nebulización del combustible lo más fina posible y una mezcla homogénea», explica Hampp.
Esa es también la razón por la que, al menos en el caso de las turbinas más pequeñas, los inyectores aún no se han fabricado mediante tecnología de impresión 3D. En el proceso convencional de fusión de metales en lecho de polvo, se extiende una fina capa de polvo metálico sobre una plataforma de construcción y, a continuación, se funde localmente mediante un láser. Una vez que el material se ha solidificado, la plataforma de construcción desciende, se aplica una nueva capa de polvo y el proceso se repite capa a capa hasta que el componente está completamente construido. Las estructuras complejas, como paredes, cavidades y conductos de conexión, van tomando forma capa a capa. «El problema es que las superficies de estas estructuras impresas nunca son completamente lisas. Esto plantea dificultades cuando es necesario inyectar una cantidad específica de combustible en una cámara de combustión en forma de fina niebla a través de orificios muy pequeños», explica Möhring.
Sin embargo, los grupos de investigación diseñaron un sistema de inyección que funciona a pesar de la rugosidad de los componentes impresos en 3D. Los métodos de fabricación aditiva desarrollados para este fin permitieron a los investigadores miniaturizar un principio utilizado en las turbinas de aviones e incorporarlo por primera vez a un nuevo diseño de inyector. «Esto nos permitió lograr procesos de combustión muy limpios en el laboratorio», explica Möhring. Esto podría reducir sustancialmente los costes de fabricación de las turbinas de gas, ya que los quemadores y las cámaras de combustión a menudo ya se producen mediante fabricación aditiva.
Las boquillas de inyección funcionan con combustibles que van desde el hidrógeno hasta el queroseno
Los sistemas de inyección suelen estar diseñados para un tipo específico de combustible, pero los nuevos inyectores funcionan con una amplia variedad de combustibles. Dado que el hidrógeno, el gas natural y el queroseno —relativamente viscoso— tienen propiedades muy diferentes, por lo general solo es posible lograr una mezcla óptima de combustible y aire con un combustible específico. «Sin embargo, el diseño especial de nuestras boquillas permite quemar de forma limpia una amplia gama de combustibles», afirma Hampp. Esta flexibilidad es importante, ya que aún no está claro qué combustibles acabarán alimentando las turbinas de gas. La capacidad de adaptar las turbinas más antiguas a la nueva tecnología de inyección también podría ayudar a reducir la dependencia geopolítica de determinadas fuentes de energía.
Hasta ahora, el inyector solo se ha probado en condiciones de laboratorio. Los equipos de investigación tienen previsto optimizar el proceso de fabricación aditiva y la geometría de la boquilla antes de construir un prototipo y probarlo con diversos combustibles en condiciones reales, en colaboración con el DLR de Stuttgart. El objetivo es combinar la flexibilidad en cuanto a combustibles con una alta densidad de potencia, bajas emisiones y bajos costes.
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