La produzione additiva entra nella ricerca sui materiali compatibili con l’idrogeno
EOS ha aderito al consorzio MAT-H2, un progetto finlandese che riunisce aziende industriali e organizzazioni scientifiche per affrontare uno dei principali ostacoli alla diffusione dell’idrogeno: la disponibilità di materiali capaci di mantenere prestazioni affidabili durante lo stoccaggio, il trasporto e l’utilizzo del gas.
EOS contribuirà attraverso le proprie competenze nella produzione additiva dei metalli, nello sviluppo delle leghe, nella caratterizzazione dei materiali e nella progettazione di componenti destinati ad applicazioni industriali. L’obiettivo non consiste soltanto nel produrre geometrie complesse mediante stampa 3D, ma nel comprendere come i materiali ottenuti con processi additivi reagiscano al contatto con l’idrogeno nelle condizioni operative previste.
Il consorzio MAT-H2 comprende EOS, Wärtsilä, Neste, Nordic Tank, Teknos, SSAB, BUMAX e SP Stainless. A queste aziende si aggiungono VTT Technical Research Centre of Finland e l’Università di Oulu come partner scientifici.
La composizione del gruppo permette di esaminare la compatibilità con l’idrogeno lungo una parte estesa della catena industriale. Sono rappresentati produttori di acciai e sistemi di fissaggio, specialisti di rivestimenti, costruttori di serbatoi e tubazioni, aziende attive nei combustibili e nei sistemi energetici, fornitori di tecnologie additive e centri di ricerca sui materiali.
Un progetto collegato al programma WISE di Wärtsilä
MAT-H2 è stato costituito nell’ambito di WISE, acronimo di Wide and Intelligent Sustainable Energy. Il programma è guidato da Wärtsilä e cofinanziato da Business Finland, l’organizzazione pubblica finlandese che sostiene ricerca, sviluppo industriale e innovazione.
WISE è un programma quinquennale avviato per sviluppare sistemi energetici flessibili, generazione di bilanciamento a basse emissioni e tecnologie capaci di funzionare con combustibili sostenibili. La rete complessiva associata a WISE comprende più di 200 aziende, organizzazioni industriali, università e istituti di ricerca finlandesi.
Wärtsilä e i partner del programma hanno previsto investimenti in ricerca e sviluppo per circa 200 milioni di euro entro il 2028. Business Finland ha accordato un finanziamento di 20 milioni di euro al programma guidato da Wärtsilä e ha previsto fino a 50 milioni di euro per i progetti dei partner.
All’interno di questo quadro, MAT-H2 concentra il lavoro sui materiali e sui processi produttivi necessari per costruire infrastrutture e apparecchiature compatibili con l’idrogeno. Il progetto è guidato sul piano scientifico da VTT Technical Research Centre of Finland.
La distinzione tra WISE e MAT-H2 è importante. WISE costituisce l’ecosistema industriale più ampio, mentre MAT-H2 è uno dei progetti specializzati che operano al suo interno. Le attività di MAT-H2 sono rivolte alla qualificazione dei materiali, alla comprensione dei meccanismi di degrado e allo sviluppo di componenti destinati a condizioni operative contenenti idrogeno.
Perché l’idrogeno sottopone i metalli a condizioni difficili
L’idrogeno è la molecola più piccola esistente e può diffondersi all’interno di alcuni materiali metallici. In determinate combinazioni di pressione, temperatura, composizione chimica, microstruttura e sollecitazione meccanica, gli atomi di idrogeno possono accumularsi in corrispondenza di difetti, bordi di grano, inclusioni o zone sottoposte a tensione.
Questo fenomeno può ridurre la duttilità di un metallo e favorire la propagazione delle cricche. Il problema viene indicato con espressioni come infragilimento da idrogeno o danneggiamento assistito dall’idrogeno.
Non tutti i metalli reagiscono nello stesso modo. La sensibilità dipende dal tipo di lega, dalla resistenza meccanica, dai trattamenti termici, dal processo produttivo, dalla qualità delle saldature e dalle condizioni di utilizzo. Anche due componenti realizzati nominalmente con la stessa lega possono avere comportamenti differenti se presentano microstrutture, tensioni residue o finiture superficiali diverse.
La compatibilità deve quindi essere valutata attraverso prove eseguite su materiali e componenti rappresentativi. Non è sufficiente consultare le caratteristiche meccaniche misurate in aria o in condizioni ambientali convenzionali.
Il consorzio MAT-H2 intende sviluppare e validare materiali capaci di resistere non soltanto all’idrogeno, ma anche alle sostanze chimiche presenti nelle diverse fasi della sua produzione, trasformazione e distribuzione. Il lavoro riguarda inoltre la corrosione, la durabilità delle saldature e l’affidabilità delle zone in cui si concentrano le tensioni.
Il ruolo della produzione additiva di EOS
EOS metterà a disposizione del consorzio MAT-H2 le proprie tecnologie per la produzione additiva metallica e le competenze acquisite nella gestione delle polveri, dei parametri di processo e delle proprietà finali dei componenti.
Nella fusione laser a letto di polvere, sottili strati di polvere metallica vengono distribuiti sulla piattaforma di costruzione e fusi selettivamente seguendo i dati del modello tridimensionale. La ripetizione del ciclo consente di ottenere componenti con canali interni, pareti sottili, strutture reticolari e forme difficili da realizzare con lavorazioni convenzionali.
Per i sistemi a idrogeno, questa libertà progettuale può essere utilizzata per integrare condotti, ottimizzare il passaggio dei fluidi, ridurre il numero di giunzioni e costruire scambiatori di calore più compatti. La produzione di una parte unica può diminuire il numero di saldature e interfacce meccaniche, che rappresentano punti da controllare con particolare attenzione negli impianti sottoposti a pressione.
La stampa 3D può inoltre accelerare la produzione di provini con composizioni o geometrie differenti. I ricercatori possono modificare i parametri di fabbricazione, realizzare serie sperimentali e confrontarne il comportamento durante l’esposizione all’idrogeno.
Questa capacità è utile nello sviluppo di nuovi materiali, ma non elimina la necessità di una qualificazione rigorosa. Le proprietà di un componente additivo dipendono dalla composizione della polvere, dalla distribuzione granulometrica, dall’atmosfera presente nella camera di costruzione, dall’energia del laser, dalla strategia di scansione, dall’orientamento del pezzo e dai trattamenti successivi.
EOS dovrà quindi contribuire a stabilire relazioni verificabili tra parametri di stampa, microstruttura e resistenza negli ambienti contenenti idrogeno.
La microstruttura dei componenti stampati deve essere controllata
Un materiale prodotto mediante fusione laser non possiede automaticamente la stessa microstruttura della corrispondente lega lavorata, forgiata o laminata. Il rapido riscaldamento e raffreddamento che avviene durante la stampa può generare grani orientati, segregazioni locali, fasi secondarie e tensioni residue.
Queste caratteristiche possono essere vantaggiose per alcune proprietà e sfavorevoli per altre. In presenza di idrogeno, anche piccole differenze nella microstruttura possono influenzare la diffusione degli atomi e la formazione delle cricche.
Una ricerca del National Institute of Standards and Technology condotta su una superlega di nichel IN625 ha mostrato che la microstruttura generata dal processo additivo può aumentare la sensibilità alla fessurazione quando l’idrogeno entra nel materiale. Lo stesso studio ha rilevato che trattamenti successivi, compresa la pressatura isostatica a caldo, possono rendere la microstruttura più omogenea e migliorare il comportamento del componente.
Il risultato non indica che i materiali additivi siano inadatti agli impianti a idrogeno. Mostra piuttosto che non possono essere qualificati applicando automaticamente i dati raccolti sui prodotti convenzionali. Ogni combinazione di lega, macchina, parametri di costruzione e trattamento termico deve essere analizzata in relazione all’impiego previsto.
Nel progetto MAT-H2, EOS potrà contribuire alla definizione di queste combinazioni e alla produzione di campioni destinati alle prove effettuate da VTT Technical Research Centre of Finland e dall’Università di Oulu.
Un consorzio che copre materiali, rivestimenti e componenti
La presenza di SSAB introduce nel consorzio MAT-H2 competenze nella produzione e nello sviluppo degli acciai. Gli acciai sono utilizzati in tubazioni, serbatoi, strutture, valvole e numerosi componenti degli impianti energetici. La scelta della composizione e del livello di resistenza deve tenere conto della sensibilità all’idrogeno, della saldabilità e del costo industriale.
BUMAX produce elementi di fissaggio in acciaio inossidabile destinati ad applicazioni con requisiti elevati di resistenza meccanica e alla corrosione. Bulloni, dadi, perni e sistemi di giunzione possono sembrare elementi secondari, ma il loro comportamento è determinante per l’integrità di recipienti, flange e apparecchiature soggette a pressione.
SP Stainless è specializzata nella costruzione e saldatura di tubazioni, raccordi, recipienti a pressione e apparecchiature in acciaio inossidabile per l’industria di processo. La presenza di SP Stainless consente al consorzio di collegare gli studi sui materiali alle condizioni reali di fabbricazione, nelle quali saldature e zone termicamente alterate devono mantenere proprietà controllate.
Nordic Tank progetta e costruisce cisterne, semirimorchi e sovrastrutture per il trasporto di prodotti chimici, gas e altri materiali. Le competenze di Nordic Tank sono pertinenti alle esigenze di stoccaggio e distribuzione, due ambiti nei quali il contenimento sicuro dell’idrogeno rappresenta una difficoltà tecnica ed economica.
Teknos sviluppa vernici e rivestimenti protettivi per applicazioni industriali. I rivestimenti possono contribuire a controllare la corrosione, proteggere le superfici e modificare la permeazione dell’idrogeno, ma devono conservare adesione e stabilità nelle condizioni di utilizzo.
Neste opera nella produzione di combustibili e prodotti destinati ai settori dei trasporti e dell’industria. La partecipazione di Neste permette di considerare le necessità degli utilizzatori industriali e le condizioni presenti nei processi di produzione e trasformazione dei combustibili.
Wärtsilä sviluppa motori, impianti energetici e soluzioni per i settori dell’energia e della navigazione. I risultati di MAT-H2 potranno fornire dati utili per apparecchiature destinate a funzionare con idrogeno o con combustibili derivati dall’idrogeno.
I compiti specifici assegnati a ogni azienda non sono stati descritti integralmente. La struttura del consorzio mostra però l’intenzione di collegare ricerca metallurgica, produzione dei materiali, costruzione dei componenti e sperimentazione industriale.
L’importanza di saldature, giunzioni e trattamenti superficiali
Una parte rilevante del lavoro di MAT-H2 riguarderà verosimilmente i punti nei quali il comportamento dei materiali è più difficile da prevedere. Le saldature sono tra questi.
Durante la saldatura, una zona limitata del componente viene portata a temperature elevate e successivamente raffreddata. Il ciclo termico modifica la microstruttura del materiale di base e genera la cosiddetta zona termicamente alterata. Possono inoltre formarsi tensioni residue e variazioni locali di durezza.
In presenza di idrogeno, queste discontinuità possono diventare punti preferenziali per l’avvio delle cricche. Per questo motivo la qualificazione deve comprendere il metallo di base, il materiale d’apporto, il cordone di saldatura e le zone adiacenti.
Considerazioni analoghe valgono per i componenti stampati da EOS. Le superfici lasciate grezze dalla produzione additiva possono contenere irregolarità che concentrano le sollecitazioni. Lavorazioni meccaniche, lucidatura, trattamenti termici, pressatura isostatica a caldo o rivestimenti possono modificare il comportamento finale.
MAT-H2 dovrà quindi considerare l’intera sequenza produttiva e non soltanto la composizione nominale della lega.
Dal provino di laboratorio al componente industriale
La caratterizzazione iniziale può essere effettuata su piccoli campioni sottoposti a prove di trazione, fatica, tenacità o propagazione delle cricche in presenza di idrogeno. Questi test consentono di confrontare materiali e trattamenti differenti in condizioni controllate.
Il passaggio a un componente industriale richiede però ulteriori verifiche. Geometria, spessore, concentrazioni di tensione, qualità delle saldature e cicli di pressione possono produrre effetti che non emergono nei provini standard.
Per questo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti distingue tra compatibilità del materiale e idoneità del componente. La prima riguarda le proprietà del materiale misurate in un ambiente definito. La seconda comprende il progetto, la geometria, il metodo di fabbricazione e le condizioni operative dell’intero sistema.
L’approccio di MAT-H2, che riunisce produttori di materiali, costruttori di componenti e utilizzatori industriali, è adatto a collegare questi due livelli. EOS può produrre materiali e geometrie sperimentali, mentre aziende come Nordic Tank, SP Stainless, BUMAX, Teknos, SSAB, Neste e Wärtsilä possono contribuire a definire requisiti industriali e scenari applicativi.
VTT Technical Research Centre of Finland e l’Università di Oulu potranno fornire metodi di prova, analisi metallurgiche e strumenti per valutare l’interazione tra idrogeno e materiali.
La crescita dell’idrogeno dipende anche dall’affidabilità delle infrastrutture
La domanda mondiale di idrogeno ha raggiunto quasi 100 milioni di tonnellate nel 2024. La maggior parte viene ancora utilizzata nella raffinazione petrolifera e nella produzione di sostanze chimiche, fertilizzanti e metanolo.
La produzione continua a essere dominata da fonti fossili. L’idrogeno a basse emissioni rappresenta meno dell’uno per cento del totale, mentre le nuove applicazioni energetiche costituiscono ancora una quota limitata della domanda.
La crescita del settore non dipende quindi soltanto dalla capacità di installare elettrolizzatori. Sono necessari serbatoi, compressori, tubazioni, valvole, scambiatori di calore, motori e sistemi di distribuzione capaci di funzionare in sicurezza per periodi prolungati.
La Commissione europea ha fissato per il 2030 l’obiettivo di produrre dieci milioni di tonnellate di idrogeno rinnovabile nell’Unione europea e importarne altri dieci milioni. Il raggiungimento di questa capacità richiederebbe un ampliamento delle infrastrutture e una disponibilità maggiore di materiali certificati.
Il consorzio MAT-H2 vuole intervenire su questo punto, sviluppando un portafoglio di materiali e componenti economicamente accessibili, con un comportamento più prevedibile durante l’esposizione all’idrogeno.
La strategia industriale della Finlandia
La Finlandia considera l’idrogeno un’opportunità industriale collegata alla disponibilità di elettricità a basse emissioni, alle infrastrutture di rete e alla presenza di competenze nei settori metallurgico, energetico e meccanico.
Secondo le stime presentate da Wärtsilä, lo sviluppo della filiera finlandese dell’idrogeno potrebbe contribuire per un valore annuo fino a 34 miliardi di euro al prodotto interno lordo nazionale entro il 2035 e sostenere più di 60.000 posti di lavoro. Queste cifre rappresentano uno scenario potenziale e dipendono dalla realizzazione degli investimenti, dalla domanda e dalla competitività delle tecnologie sviluppate.
MAT-H2 non è quindi soltanto un progetto sui materiali. È anche uno strumento con cui Wärtsilä, EOS, Neste, Nordic Tank, Teknos, SSAB, BUMAX, SP Stainless, VTT Technical Research Centre of Finland e l’Università di Oulu intendono trasformare conoscenze scientifiche in prodotti industriali esportabili.
Le domande ancora aperte sul programma MAT-H2
EOS e Wärtsilä non hanno pubblicato una suddivisione completa delle attività tra i partner, né un elenco delle leghe che saranno sviluppate o sottoposte a prova.
Non sono stati specificati i sistemi di produzione additiva EOS che verranno utilizzati, i materiali iniziali, le pressioni di prova o le applicazioni che riceveranno priorità. Non è stato chiarito neppure se il progetto produrrà nuovi materiali commerciali, parametri di stampa qualificati, componenti dimostrativi o combinazioni di questi risultati.
Un altro aspetto riguarda la standardizzazione. Per essere utilizzati in infrastrutture energetiche, i risultati dovranno essere tradotti in dati di progetto, procedure di controllo e criteri di accettazione. La disponibilità di un materiale promettente non è sufficiente senza metodi ripetibili per produrlo e verificarlo.
Per EOS, il risultato industriale dipenderà dalla capacità di dimostrare che i componenti additivi possono mantenere proprietà uniformi tra macchine, lotti di polvere e cicli produttivi differenti.
Un banco di prova per la stampa 3D metallica nel settore energetico
La partecipazione di EOS al consorzio MAT-H2 amplia il campo di applicazione della produzione additiva nel settore energetico. La tecnologia non verrà valutata soltanto per la riduzione del peso o per la libertà geometrica, ma per la possibilità di sviluppare materiali e componenti destinati a un ambiente particolarmente impegnativo.
Le attività dovranno chiarire quali leghe siano adatte alla produzione additiva, quali trattamenti siano necessari e come le microstrutture ottenute mediante stampa influenzino la diffusione dell’idrogeno e la propagazione delle cricche.
Il progetto potrà inoltre stabilire quando la produzione additiva offra un vantaggio concreto rispetto a fusione, forgiatura, lavorazione meccanica e saldatura. In alcune applicazioni la stampa 3D potrebbe ridurre il numero di parti o integrare funzioni differenti. In altre, i costi di qualificazione e trattamento potrebbero rendere più adatti i processi tradizionali.
Il valore del consorzio MAT-H2 risiede proprio nel confronto tra queste alternative. EOS mette a disposizione la produzione additiva, mentre Wärtsilä, Neste, Nordic Tank, Teknos, SSAB, BUMAX, SP Stainless, VTT Technical Research Centre of Finland e l’Università di Oulu rappresentano competenze complementari necessarie per valutare materiali, componenti e sistemi completi.
La prova decisiva sarà il trasferimento dei risultati dai laboratori alla produzione industriale. Perché la stampa 3D possa contribuire alla filiera dell’idrogeno, EOS dovrà dimostrare non soltanto che un componente può essere costruito, ma che può essere qualificato, controllato e prodotto con caratteristiche ripetibili per l’intera durata operativa prevista.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)