L’ Agenzia-Energia (ARPA-E) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha assegnato una sovvenzione di 1,2 milioni di dollari allo sviluppatore di materiali ad alte prestazioni QuesTek Innovations . I fondi saranno utilizzati per progettare e sviluppare nuovi materiali per leghe di pale di turbine di nuova generazione e sistemi di rivestimento compatibili. La società con sede a Evanston, Illinois, creerà un sistema di leghe a base di niobio con classificazione funzionale adatte alla produzione additiva (AM) e in grado di sostenere le operazioni ad alta temperatura e aumentare l’efficienza del carburante.
Il team di QuesTek ha ricevuto la sovvenzione come parte di un finanziamento di 16 milioni di dollari recentemente assegnato a 17 progetti di Fase I tramite il programma ULTIMATE ( Ultrahigh Temperature Impervious Materials Advancing Turbine Efficiency ) di ARPA-E . Rilasciato nell’aprile 2020, ULTIMATE aiuta i team scelti a lanciare nuovi materiali promettenti per le turbine a gas nei settori dell’aviazione e della generazione di energia. I team di ULTIMATE svilupperanno simultaneamente nuovi processi di produzione che assicurano che le pale delle turbine possano funzionare a temperature estremamente elevate e resistere agli ambienti operativi estremi che si trovano comunemente nelle turbine a gas naturale.
Le turbine a gas sono ” macchine che respirano aria ” che dipendono dalla massa d’aria attraverso il compressore per generare potenza, come descritto da Power Engineering International . Lavorare in condizioni ambientali difficili significa che le turbine a gas devono resistere ad alcune delle condizioni meteorologiche più estreme del pianeta. Anche se la capacità termica degli attuali materiali all’avanguardia per le lame è migliorata costantemente negli ultimi decenni fino a 1100 ºC (2012 ° F) grazie alla microstruttura incrementale e al perfezionamento della chimica, attraverso il programma ULTIMATE, ARPA-E prevede di migliorare l’efficienza delle turbine a gas aumentando la capacità di temperatura dei materiali utilizzati negli ambienti più esigenti.
“Progettare un nuovo materiale per turbina con prestazioni significativamente migliori rispetto alle attuali superleghe a base di nichel è una delle maggiori sfide che il campo della scienza dei materiali deve affrontare oggi”, ha dichiarato Dana Frankel, Responsabile della progettazione e sviluppo del prodotto di QuesTek. “Siamo entusiasti di questa opportunità di applicare il nostro collaudato approccio alla progettazione di materiali computazionali per sviluppare una nuova lega refrattaria per turbine, aprendo la strada a un cambiamento radicale nelle prestazioni e nell’efficienza dei motori a turbina”.
Indicato come “Progettazione simultanea di un sistema in lega di niobio multimateriale per applicazioni di turbine di nuova generazione”, il progetto di QuesTek applicherà alcune delle sue tecnologie e processi di successo. Il team farà affidamento sui suoi modelli basati su ICME (Integrated Computational Materials Engineering), sulla tecnologia AM, sulla progettazione e produzione di turbine e su una vasta esperienza nella modellazione di leghe metalliche e rivestimenti per sviluppare una soluzione di materiali stampabili per una turbina di nuova generazione lega della lama e sistema di rivestimento in grado di funzionare in modo prolungato a 1300 ° C (2372 ° F). Utilizzando strumenti computazionali , QuesTek può creare modelli per ulteriori studi sui materiali, sulle loro strutture e sulla chimica, ottenendo prestazioni migliori.
QuesTek si concentrerà sulla progettazione di un sistema di leghe multimateriali a base di niobio costituito da una lega duttile, rinforzata con precipitazione e resistente alla deformazione per il “nucleo” della turbina, combinata con una lega di niobio resistente all’ossidazione e compatibile con il rivestimento adesivo per il ” Astuccio.” La lega di niobio multimateriale e il sistema di rivestimento proposti raggiungeranno una combinazione di proprietà adatte a vari componenti di turbine a gas o industriali come pala, palette e strutture di pannelli.
Per definire i requisiti aerospaziali, eseguire la progettazione dei componenti e guidare i test e la qualificazione, QuesTek collaborerà con Pratt & Whitney, produttore leader di motori aeronautici con sede nel Connecticut . In definitiva, questa collaborazione contribuirà ad accelerare l’adozione dei materiali progettati nei motori di prossima generazione. Il team del progetto comprende anche ingegneri del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA per lo sviluppo del processo AM e esperti di sviluppo del rivestimento dell’Università del Minnesota .
Il gas naturale viene utilizzato nelle turbine a gas per generare elettricità e la sua adozione è in rapida crescita. Infatti, la US Energy Information Administration (EIA) stima che le turbine a gas naturale producano circa il 38% dell’elettricità statunitense. Secondo le linee guida del programma ULTIMATE, lo sviluppo di nuovi materiali ad altissima temperatura con rivestimenti e tecnologie di produzione compatibili può aumentare l’efficienza della turbina a gas fino al 7%, il che ridurrà notevolmente lo spreco di energia e le emissioni di carbonio. Può anche migliorare l’economia della produzione di energia per l’aviazione e altri settori.
Ma la temperatura operativa delle turbine a gas è attualmente limitata dai materiali dei suoi componenti, in particolare quelli nel percorso del gas caldo, come le pale delle turbine, le palette, gli ugelli e le sartie. Le pale delle turbine subiscono il carico operativo più significativo perché devono resistere contemporaneamente alle temperature e alle sollecitazioni più elevate. L’ARPA-E afferma che le pale delle turbine sono realizzate in superleghe a base di nichel o cobalto monocristallino con limiti di stabilità alle alte temperature. Inoltre, dopo molti anni di perfezionamenti, lo sviluppo di nuovi materiali per le pale delle turbine si è stabilizzato. Quindi la sfida sta nello scoprire, sviluppare e implementare nuovi materiali che funzionino a temperature significativamente superiori a quelle delle superleghe di nichel o cobalto.
“Le turbine a gas naturale generano più di un terzo dell’elettricità del paese, fornendo energia ai consumatori di tutta l’America”, ha affermato Lane Genatowski, direttore dell’ARPA-E. “I team ULTIMATE miglioreranno l’efficienza del settore della generazione sviluppando materiali che aumentano l’efficienza dei produttori e creano vantaggi economici positivi per i consumatori industriali e pubblici a livello nazionale”.
I team di ULTIMATE dimostreranno la prova del concetto per le composizioni di leghe, i rivestimenti e i processi di produzione attraverso la modellazione e il test dei coupon di trazione su scala di laboratorio delle proprietà essenziali. Alla fine della Fase 1, i team verranno selezionati in base alla revisione tecnica per ricevere ulteriori finanziamenti per sviluppare composizioni e rivestimenti di leghe selezionate e la produzione di pale di turbine generiche su piccola scala per dimostrare la producibilità dei progetti. I team attendono con impazienza la seconda fase di ULTIMATE, dove saranno disponibili ulteriori $ 14 milioni di fondi.
