سبائك جديدة تهدف إلى تعزيز كفاءة توربينات الهيدروجين

في عام 1884، استخدم المهندس البحري تشارلز بارسون الفحم لتشغيل اختراعه الرائد، التوربين البخاري متعدد المراحل، لإنتاج الكهرباء.

وقد شكلت هذه الثورة التكنولوجية فجرًا جديدًا لتوليد الطاقة واستهلاكها في جميع أنحاء العالم. واليوم، تتطلب احتياجات البشرية المتزايدة من الكهرباء والطاقة توربينات أكثر كفاءة ووقودًا صديقًا للبيئة.

لتلبية احتياجات الطاقة في المستقبل القريب من خلال تكنولوجيا المواد المبتكرة، يهدف المهندسون في جامعة تكساس إيه آند إم إلى تطوير نظام مواد لتوربينات الغاز التي يمكنها العمل باستخدام وقود الهيدروجين بدلاً من الغاز الطبيعي.
وسيشمل ذلك سبائك عالية الأداء وطلاءات واقية وأنظمة تبريد.

حلول مادية لتوربينات الغاز المتقدمة

قال الدكتور دون ليبكين، أستاذ في قسم علوم وهندسة المواد والمحقق الرئيسي في المنحة: “لقد حددت الولايات المتحدة هدفًا طموحًا لإزالة الكربون من الطاقة بحلول عام 2035”.

وأضاف “نحن بحاجة إلى حلول مادية لتوربينات الغاز المتقدمة التي تكون أكثر نظافة وكفاءة؛ أي أن التوربينات يمكن أن تعمل في درجات حرارة أعلى بكثير وتستخدم غاز الهيدروجين بدلاً من الغاز الطبيعي حتى لا تنتج ثاني أكسيد الكربون.”

تحول التوربينات الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. داخل هذه الآلات، يتم ربط الشفرات بعمود مركزي.

عندما تدور هذه الشفرات، مثل شفرات المروحة، يدور العمود، مما يؤدي إلى تشغيل المولد وإنتاج الكهرباء.

في توربين بارسون، تم تحريك الشفرات بواسطة البخار الناتج عن تسخين المياه بالفحم.

في ثلاثينيات القرن العشرين، بدأت محطات الطاقة التي تعمل بالفحم في التحول ببطء إلى الغاز الطبيعي لتحسين كفاءة إنتاج الطاقة والحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

في توربينات الغاز، يعمل الضغط الناتج عن الغاز المضغوط المشتعل على تدوير الشفرات لإنتاج الكهرباء بدلاً من البخار.

أهداف الجيل القادم من التوربينات المتقدمة تتلخص في زيادة كفاءتها واستبدال الغاز الطبيعي بالهيدروجين، الذي له بصمة كربونية ضئيلة. ولكن هذه الأهداف تفتح الباب أمام احتمالين آخرين.

وقال ليبكين: “تحتاج التوربينات ذات الكفاءة العالية إلى العمل في درجات حرارة أعلى بكثير، حوالي 3000 فهرنهايت أو أكثر، ونحن بحاجة إلى حلول مادية للتوربينات المتقدمة التي يمكن أن تعمل في هذه الأنظمة الأكثر سخونة”، “المشكلة الأخرى هي أنه عندما تحرق الهيدروجين في الهواء، فإنك تنتج بخارًا أكثر مما تنتجه عندما تحرق الغاز الطبيعي، وتظهر على أغلب مواد التوربينات علامات تدهور متسارع عندما تتعرض لدرجات حرارة عالية وبيئات شديدة الرطوبة”.

السبائك العالية الإنتروبيا المقاومة للحرارة

المواد المستخدمة في صناعة التوربينات هي سبائك فائقة تتكون في الغالب من النيكل والكوبالت، مع كميات صغيرة من العناصر الأخرى، مثل الكروم والألمنيوم والتنجستن والموليبدينوم والنيوبيوم.

المشكلة الرئيسية مع السبائك الفائقة القائمة على النيكل هي أنها تبدأ في الذوبان عند درجة حرارة 2400 فهرنهايت.
وبالتالي، يقوم المهندسون بالتحقيق في فئة جديدة من نظام المواد تسمى السبائك العالية الإنتروبيا المقاومة للحرارة (RHEA)، والتي تتمتع العديد منها بدرجات حرارة ذوبان أعلى من 3500 فهرنهايت.

في إطار المرحلة الأولى من برنامج ULTIMATE التابع لوكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة في مجال الطاقة (ARPA)-E ، حدد الدكتور رايموندو أرويافي، عالم المواد في جامعة تكساس إيه آند إم، عددًا من مشاريع الطاقة المتجددة عالية الطاقة الواعدة.

كما قال أرويافي، الباحث الرئيسي المشارك في هذا المشروع مع الدكتور إبراهيم كرامان، “لحل هذه المشكلة التي تبدو مستحيلة، نستخدم أدوات تصميم السبائك المتقدمة التي طورتها مجموعاتنا”، “إن اكتشاف سبائك جديدة قادرة على تحمل هذه البيئات القاسية يشبه العثور على إبرة في كومة قش متعددة الأبعاد”.

إنشاء نظام تجريبي

وفي الخطوة التالية، سيختبر ليبكين وفريقه ما إذا كانت أجهزة حماية الحرارة المرتفعة ذات الطلاءات المصممة خصيصًا والتي طورها فريق A&M قادرة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة والأكسدة والرطوبة في نفس الوقت.

وهم يعملون على إنشاء نظام تجريبي يشبه إلى حد كبير الجزء الأكثر سخونة من توربين غاز يعمل بالهيدروجين.

وبعبارة بسيطة، سيتم ضغط الهيدروجين والهواء عاليي الضغط من خلال أنابيب صغيرة على شكل فوهة صاروخية وإشعالها.

وتولد هذه العملية غازًا وبخارًا ساخنين وعاليي السرعة يخرجان من الفوهة بسرعات تفوق سرعة الصوت ويصطدمان بقسائم RHEA.

وسوف يقوم الفريق بالتحقيق في مرونة نظام مواد RHEA – بما في ذلك سبيكة الركيزة والطلاء المقاوم للأكسدة وطلاء الحاجز الحراري – في بيئة توربينات الغاز الهيدروجيني المحاكاة مع التبريد وبدونه.

وقال ليبكين: “إن إحدى الطرق التي يمكننا من خلالها تحقيق أهدافنا في خفض الكربون في قطاع الطاقة هي الحفاظ على البنية التحتية الشاملة لتوليد الطاقة لدينا سليمة ولكن التحول إلى حرق الهيدروجين كوقود، بدلاً من الغاز الطبيعي”.

وأضاف “لن يكون هناك حل واحد يصلح لجميع البنية التحتية للطاقة في الولايات المتحدة؛ بل سيكون الأمر عبارة عن مزيج من مصادر الطاقة المتجددة وغير المتجددة”.