MITGEA: nuovi materiali ceramici per produrre energia elettrica con maggiore efficienza - Nuovi materiali

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MITGEA: nuovi materiali ceramici per produrre energia elettrica con maggiore efficienza


Intervista all’ing. Sergio Sangiorgi, responsabile dell'Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali (UTTMATF) presso i Laboratori di ricerca ENEA di Faenza

Quando si parla di materiali ceramici siamo soliti pensare ad oggetti di uso decorativo. C’è, però, un modo nuovo di pensare a questi materiali. È quanto avviene nel Centro Ricerche ENEA di Faenza, dove si studiano le molteplici applicazioni che essi possono avere in campo industriale ed energetico, in virtù delle caratteristiche di resistenza alle alte temperature della ceramica. L’utilizzo dei materiali ceramici nelle macchine per la produzione di energia, come le turbine a gas, permette di lavorare a temperature più elevate e produrre energia con maggiore efficienza.

Le turbine a gas sono delle termomacchine che producono energia sfruttando il calore generato bruciando un combustibile. “L’efficienza della conversione dipende dalla temperatura di lavoro. Con l’aumento della temperatura di lavoro delle macchine per la conversione sono possibili notevoli incrementi nell’efficienza energetica”. Ci spiega l’ingegnere Sergio Sangiorgi, responsabile della Sezione Ingegnerizzazione Componenti e Processi del Centro Ricerche ENEA di Faenza, “purtroppo aumentare la temperatura comporta dei problemi perché i materiali di cui è composta la turbina a gas, che sono tradizionalmente metallici, non sono in grado di far fronte ad ulteriori incrementi di calore rispetto a quelli attuali. È chiaro, quindi, che il campo di investigazione deve estendersi a materiali ceramici e a leghe più efficienti e compatibili con incrementi più sostenuti delle temperature di esercizio”.

E’ questo in sintesi ‘MITGEA’, acronimo di Materiali innovativi per turbine a gas ad elevatissima efficienza e a basso impatto ambientale in cui il Centro ENEA di Faenza riveste un ruolo molto importante in collaborazione con  l’Università e il CNR di Genova, il gruppo Ansaldo, il CSM (Centro Sviluppo Materiali) e la Europea Microfusioni Aerospaziali SpA, una joint venture tra la Rolls-Royce e Finmeccanica.

Ing. Sangiorgi, perché l’aumento della temperatura di lavoro delle turbine a gas è stato giudicato una delle priorità della ricerca nazionale?
Perché può avere ricadute importanti sul bilancio energetico del nostro Paese, che è dipendente in larga parte dal gas naturale per la produzione dell’energia elettrica. Come detto la soluzione potrebbe essere l’uso di materiali ceramici. Ovviamente non è così semplice. Innanzitutto i componenti ceramici vengono utilizzati anche ora nelle turbine a gas ed effettivamente riescono a resistere a temperature superiori ai mille gradi. Il problema, piuttosto, risiede nella fragilità di questi materiali e quindi nella limitata affidabilità. Le turbine, quindi, devono essere ispezionate sistematicamente e  le parti ceramiche devono essere sostituite periodicamente. Per abbassare i costi di manutenzione e gestione occorre utilizzare componenti ceramici in materiali “ottimizzati” ed adottare un diverso approccio nella progettazione dei componenti. Ciò significa mettere in campo competenze di ‘ingegnerizzazione’, abbinate alla capacità di sviluppo, caratterizzazione chimico-fisica e termomeccanica di nuovi materiali, che rappresentano il vero punto di forza del Centro ENEA di Faenza.

Ci spiega il coinvolgimento del Centro ENEA di Faenza per il progetto MITGEA?
Grazie alle nostre competenze, ENEA è il partner a cui è stata affidata la maggior parte della ricerca di base sui nuovi materiali e contribuisce anche alla caratterizzazione termomeccanica, all’ingegnerizzazione dei componenti e alla ricerca industriale.
Una turbina a gas semplice è composta principalmente da 3 elementi: compressore, turbina e camera di combustione. Noi ci occupiamo dei componenti della turbina e della camera di combustione. Per quest’ultima stiamo sviluppando componenti refrattari capaci di migliorarne le prestazioni e prodotti a basso costo, anche utilizzando materiale di recupero. Poi una parte importante dell’attività riguarda i materiali compositi ceramici a fibra lunga studiati per le camere di combustione di futura generazione. Si tratta, anche in questo caso, di materiali capaci di migliorare le prestazioni e costituiti da una matrice di carburo di silicio (SiC) e fibre di carburo di silicio. Per la turbina stiamo studiando i materiali ceramici necessari per il casting delle superleghe di ultima generazione ed anche i rivestimenti ceramici da applicare sulle pale.

Iniziamo dai materiali refrattari, ci può spiegare cosa sono e quali obiettivi vi ponete?
I componenti refrattari di cui ci occupiamo sono le tegole refrattarie, che nelle turbine a gas servono per contenere ed isolare la zona dove avviene la combustione del gas metano. Secondo i protocolli attuali le camere di combustione operano a una temperatura di fiamma di circa 1425°C per un periodo di tre anni e al momento vengono ispezionate almeno una volta l’anno per sostituire le tegole difettose, con inevitabili costi di fermo-impianto. L’obiettivo che potremo raggiungere con le tegole di nuova generazione, che stiamo contribuendo a sviluppare, è di riuscire ad innalzare la temperatura di lavoro di circa 30°C cercando, se possibile, di non accorciarne la vita utile e permettendo, così, di abbattere i costi derivati dal fermo-impianto per la manutenzione.

Quali risultati volete ottenere con lo studio sulle pale di turbina?
Le pale di turbina attualmente in uso non hanno caratteristiche termo-meccaniche tali da poter essere compatibili con un aumento della temperatura di fiamma di circa 30°C. Per questo motivo occorre sostituire le superleghe impiegate con superleghe ‘direzionali’ di ultima generazione, dotate di una microstruttura orientata che si oppone alla deformazione a caldo. Per ottenere questo risultato le pale vengono prodotte attraverso una ‘solidificazione direzionale’ (è la solidificazione del metallo liquido indotta gradualmente lungo una direzione, dal basso verso l'alto o viceversa), partendo da un fuso colato nello stampo a temperature attorno ai 1500°C con un processo che richiede alcune ore.
Per operare a temperature superiori a 1000°C, è necessario che la pala di turbina metallica venga raffreddata dall’interno. L’introduzione di un’anima ceramica all’interno della pala di turbina rappresenta l’unica soluzione tecnica possibile per realizzare canali di raffreddamento nel metallo fuso. La nostra attività di ricerca si pone gli obiettivi, da un lato, di produrre materiali ceramici che possano resistere in presenza del metallo fuso senza interagire con questo; dall’altro, di produrre ceramici che possano essere sciolti per attacco chimico a solidificazione avvenuta, ovviamente in condizioni tali che non comportino danni alla componente metallica.
Inoltre la pala in superlega deve essere rivestita superficialmente di ceramico, per aumentarne la resistenza alla temperatura e alla corrosione. Il rivestimento viene eseguito attraverso la tecnica del Plasma Spray, che consiste nella spruzzatura di un ceramico fuso su un  substrato metallico. L’ENEA dispone di un impianto di questo tipo presso il Centro di Brindisi che collabora con noi per il progetto MITGEA.

Approfondimento
Ci illustra il Centro di Faenza e le sue attività?

Il nostro Centro è tra i più piccoli dell’ENEA, qui si contano circa trenta dipendenti, ma è anche uno dei più attivi. Il nostro core-business è da sempre quello dei materiali termostrutturali, ovvero utilizzabili per componenti applicabili alle alte temperature, materiali che ora sono richiestissimi per aumentare le efficienze energetiche. Ma in questi anni abbiamo spaziato dai bioceramici, ai materiali compositi per la formula uno, alle superleghe, allo sviluppo di processi per la trasformazioni di rifiuti in materiali funzionali, ai materiali da costruzione edile per rispondere a problematiche energetiche e ambientali. Una peculiarità fondamentale del Centro di Faenza risiede nella nostra metodologia di lavoro che deriva dalle competenze diversificate sviluppate dall’ENEA insieme all’ENI sui materiali ceramici per applicazioni energetiche e che abbiamo conservato quando è nato il nostro Centro, quindici anni fa. La nostra attività di ricerca tiene sempre presenti le effettive problematiche industriali e le possibili ricadute tecnologiche. Questo tipo di approccio ci ha permesso diventare una realtà ben radicata nel territorio e di sviluppare ottime collaborazioni con le realtà industriali del luogo, nonché di collaborare con i nostri partner storici, come Ansaldo, e con i nuovi partner industriali che hanno richiesto le nostre competenze.

 

 Figura 1 A e B
A) Prototipi di tegole refrattarie, per camera di combustione, prodotte utilizzando un 20% di materiali ceramici sottoprodotto di altre lavorazioni industriali e normalmente destinati allo smaltimento in discarica.
B) Stampo utilizzato per la pressatura isostatica dei suddetti prototipi.

 


 Figura 2 A e B.
A)Impianto prototipale CVI per la produzione di CFCC (compositi ceramici a fibra lunga). I materiali a base SiC (SiCfibre/SiCmatrice) si distinguono tra i materiali per alta T, per alta tenacità e resistenza, basso peso, affidabilità, resistenza a creep, agli shock e alla fatica. Necessitano però di rivestimenti protettivi anticorrosione/antiossidazione.
B) Microstruttura del composito durante le fasi iniziali del processo di infiltrazione/densificazione.
 


 

Figure 3 A e B
Esempi di rivestimenti ceramici protettivi sviluppati per estendere la possibilità di applicare materiali termostrutturali a base SiC (monolitici e compositi) anche in ambienti chimicamente aggressivi

Figura 3A. Rivestimento ceramico protettivo su carburo di silicio, depositato mediante plasma spray


 

Figura 3B. Rivestimento ceramico protettivo su carburo di silicio, depositato mediante tecnica ad umido

 

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