Las turbinas de gas existentes no están preparadas para funcionar con hidrógeno, según investigadores de Alemania, China y Francia, que acaban de publicar un estudio en Nature Materials.
Hay mucho entusiasmo sobre el combustible de hidrógeno como solución energética sostenible, aunque para que sea verdaderamente libre de emisiones, debe obtenerse del agua utilizando energía renovable.
Actualmente, la mayor parte del hidrógeno del mundo se fabrica a partir de gas natural, un combustible fósil, en un proceso que emite grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera.
Pero otro gran desafío al que se enfrenta la economía del hidrógeno es menos conocido: su infraestructura.
El hidrógeno es la más pequeña de todas las moléculas, mucho más pequeña que el metano (el componente principal del gas natural).
Ya sabíamos que el hidrógeno podría afectar las tuberías metálicas y los tanques por los que se mueve, incluso a temperatura ambiente: es un problema que las empresas ya han enfrentado al transportarlo por todo Estados Unidos.
Las diminutas moléculas de hidrógeno pueden introducirse fácilmente en los rincones y grietas de las tuberías de acero, por ejemplo, haciendo que la aleación se vuelva quebradiza.
“La conclusión: no es tan sencillo como simplemente impulsar el hidrógeno en la infraestructura existente”, dijo el científico de energía del MIT Emre Gençer, allá por 2023.
Gençer se refería a los problemas que enfrenta el transporte y almacenamiento de hidrógeno, pero la nueva investigación revela que estas no son las únicas piezas de infraestructura que necesitarían ser reemplazadas en una economía del hidrógeno.
A las altas y variables temperaturas dentro de una turbina de gas, la capacidad del hidrógeno para “debilitar” la maquinaria se acelera.
Mediante pruebas mecánicas en entornos de alta temperatura y presión, los investigadores examinaron de cerca lo que sucedía dentro de las turbinas impulsadas por gas de hidrógeno, fabricadas con la superaleación a base de níquel estándar de la industria (IN718), a medida que se acercaban a temperaturas de hasta 600 °C (1112 Fahrenheit).
Con la adición de calor, el hidrógeno causó el doble de daño a las aleaciones que a temperatura ambiente, en lo que podría equivaler a una falla catastrófica.
Esto sugiere que la infraestructura existente no podrá soportar el hidrógeno como fuente de combustible: requerirá una revisión total y aleaciones completamente nuevas.
La forma en que el hidrógeno degradaba la aleación cambiaba dependiendo de la temperatura, y la mayoría de los problemas ocurrieron en el camino hacia temperaturas más altas, entre 400°C pero por debajo de 600°C.
A 400°C, la ductilidad de la turbina se redujo hasta en un 30 por ciento.
“Cuando el hidrógeno entra en una superaleación a base de níquel a temperatura ambiente, normalmente queda atrapado en las interfaces y dislocaciones”, explica Xizhen Dong, del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles.
“A temperaturas elevadas, los átomos de hidrógeno migran a las vacantes de carbono dentro de los carburos, provocando su descomposición parcial. Además, los átomos de hidrógeno y de carbono reaccionan y forman metano. Este metano altamente presurizado ejerce una alta presión interna local que debilita las interfaces y promueve el daño”.
El propósito de los carburos en una aleación es proporcionar resistencia, lo cual es importante cuando el trabajo de un metal es contener gases a alta presión y resistir las fuerzas a las que está expuesta una turbina.
Pero el estudio sugiere que las aleaciones reforzadas con carburo no son adecuadas para la tecnología basada en hidrógeno.
Por otro lado, las aleaciones existentes que pueden resistir la fragilización por hidrógeno tienden a ser bastante blandas, lo que tampoco es ideal.
Los científicos ya están trabajando para encontrar materiales más adecuados para el transporte y almacenamiento de hidrógeno.
Un equipo de investigación tuvo éxito mezclando escandio con una aleación de aluminio y magnesio, para mejorar la resistencia del material en un 40 por ciento y su resistencia a la fragilización por hidrógeno casi cinco veces.
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Pero cuando se trata de las partes calientes que giran de la turbina, hay mucho más trabajo por hacer y nuevas aleaciones por descubrir.
“Estos hallazgos pueden servir como consideraciones importantes para el diseño de materiales en la búsqueda de turbinas de gas y motores de avión alimentados con hidrógeno”, añaden los editores de la revista.
La investigación fue publicada en Nature Materials.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.