لا أحد يتحدث عن هذه الحلقة الضعيفة في اقتصاد الهيدروجين: المعادن

توربينات الغاز الحالية ليست جاهزة للعمل بالهيدروجين، وفقًا لباحثين من ألمانيا والصين وفرنسا، الذين نشروا للتو دراسة في عام 2018. مواد الطبيعة.

هناك الكثير من الإثارة حول وقود الهيدروجين كحل للطاقة المستدامة، على الرغم من أنه يجب أن يكون خاليًا من الانبعاثات حقًا يتم حصادها من الماء باستخدام الطاقة المتجددة.

حاليا، معظم الهيدروجين في العالم موجود مصنوعة من الغاز الطبيعي، وهو وقود أحفوري، في عملية تؤدي إلى انبعاث كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي.

لكن التحدي الكبير الآخر الذي يواجه اقتصاد الهيدروجين أقل شهرة: البنية التحتية.

الهيدروجين هو أصغر الجزيئات، وهو أصغر بكثير من الميثان (المكون الرئيسي للغاز الطبيعي).

نحن نعلم بالفعل أن الهيدروجين يمكن أن يؤثر على الأنابيب المعدنية والخزانات التي يتحرك من خلالها، حتى في درجات الحرارة المحيطة: إنها مشكلة واجهتها الشركات بالفعل ونقلها عبر الولايات المتحدة.

يمكن لجزيئات الهيدروجين الصغيرة أن تتسلل بسهولة إلى الزوايا والزوايا في الأنابيب الفولاذية، على سبيل المثال، مما يجعل السبيكة هشة.

“خلاصة القول: الأمر ليس بسيطًا مثل مجرد الدفع بالهيدروجين في البنية التحتية الحالية”. قال عالم الطاقة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إيمري جينسر، في عام 2023.

كان جينسر يشير إلى المشاكل التي تواجه نقل الهيدروجين وتخزينه، لكن البحث الجديد يكشف أن هذه ليست الأجزاء الوحيدة من البنية التحتية التي تحتاج إلى استبدال في اقتصاد الهيدروجين.

عند درجات الحرارة المرتفعة والمتغيرة داخل توربينات الغاز، يتم إرسال قدرة الهيدروجين على “هشاشة” الآلة إلى زيادة السرعة.

ومن خلال الاختبارات الميكانيكية في بيئات ذات درجة حرارة وضغط مرتفعين، فحص الباحثون عن كثب ما يحدث داخل التوربينات التي تعمل بغاز الهيدروجين – والمصنوعة من السبائك الفائقة القائمة على النيكل والمتوافقة مع معايير الصناعة (IN718) – إذ اقتربت درجات الحرارة من 600 درجة مئوية (1112 فهرنهايت).

مع إضافة الحرارة، تسبب الهيدروجين في ضرر للسبائك ضعف ما يحدث في درجات الحرارة المحيطة، وهو ما يمكن أن يصل إلى فشل كارثي.

يشير هذا إلى أن البنية التحتية الحالية لن تتمكن من التعامل مع الهيدروجين كمصدر للوقود: فهي ستتطلب إصلاحًا شاملاً وسبائك جديدة تمامًا.

تغيرت الطريقة التي يتحلل بها الهيدروجين للسبائك اعتمادًا على درجة الحرارة، وحدثت معظم المشكلات بالفعل في الطريق إلى درجات حرارة أعلى، بين 400 درجة مئوية ولكن أقل من 600 درجة مئوية.

عند درجة حرارة 400 درجة مئوية، تنخفض ليونة التوربين بنسبة تصل إلى 30 بالمائة.

“عندما يدخل الهيدروجين إلى سبيكة فائقة ذات قاعدة نيكل في درجات الحرارة المحيطة، فإنه عادةً ما يتم احتجازه في السطوح البينية والخلع”. يشرح زيزين دونغ، من معهد ماكس بلانك للمواد المستدامة.

“عند درجات الحرارة المرتفعة، تهاجر ذرات الهيدروجين إلى شواغر الكربون داخل الكربيدات، مما يسبب تحللها الجزئي. علاوة على ذلك، تتفاعل ذرات الهيدروجين والكربون وتشكل الميثان. ويمارس هذا الميثان عالي الضغط ضغطًا داخليًا محليًا مرتفعًا يضعف الواجهات، ويعزز الضرر”.

الغرض من الكربيدات في السبيكة هو توفير القوة، وهو أمر مهم عندما تكون وظيفة المعدن هي احتواء غازات الضغط العالي، وتحمل القوى التي يتعرض لها التوربين.

لكن الدراسة تشير إلى أن السبائك المعززة بالكربيد ليست مناسبة للتكنولوجيا المعتمدة على الهيدروجين.

على الجانب الآخر، تميل السبائك الموجودة التي يمكنها مقاومة التقصف الهيدروجيني إلى أن تكون ناعمة جدًا، وهو ليس مثاليًا أيضًا.

العلماء هم تعمل بالفعل على إيجاد مواد أكثر ملاءمة لنقل وتخزين الهيدروجين.

فريق بحثي واحد وجدت النجاح عن طريق خلط السكانديوم مع سبيكة الألومنيوم والمغنيسيوم، لتحسين قوة المادة بنسبة 40 بالمائة ومقاومتها للتقصف الهيدروجيني بمقدار خمس مرات تقريبًا.

متعلق ب: لقد تم تحويل النفايات البلاستيكية مباشرة إلى وقود الهيدروجين – دون الحاجة إلى الفرز

ولكن عندما يتعلق الأمر بالأجزاء الساخنة والدوارة من التوربين، هناك الكثير من العمل الذي يجب القيام به – وسبائك جديدة يجب اكتشافها.

“قد تكون هذه النتائج بمثابة اعتبارات مهمة لتصميم المواد في السعي وراء توربينات الغاز ومحركات الطائرات التي تعمل بوقود الهيدروجين” ، كما يقول محررو المجلة. يضيف.

وقد نشر البحث في مواد الطبيعة.