‘Turbokeramik’, het stenen tijdperk voor de gasturbine is aangebroken

De tweede hoofdwet van de thermodynamica beschrijft het verband tussen temperatuur, entropie en warmtestroom. Een hogere temperatuur zorgt voor een grotere warmtestroom. Daarom wordt er bij verbrandingsprocessen altijd gestreefd naar een zo hoog mogelijke temperatuur. Er zijn echter beperkingen, de verbrandingskamer bezwijkt als de temperatuur van het ontbrandingsproces te hoog is. Bij 850° C hebben de meeste metalen nog maar een fractie van de oorspronkelijke mechanische eigenschappen. Dit is dan ook de maatstaf voor ontbrandingsprocessen in (metalen) verbrandingskamers.

Om toch een zo hoog mogelijke verbrandingstemperatuur te kunnen realiseren hebben wetenschappers zich gericht op keramiek. Helaas heeft dit materiaal niet de voordelige mechanische eigenschappen waarover metalen wel beschikken. Om dit te overbruggen zijn de zogenaamde ‘Zirconium dioxideyttria’ (ZrO2-Y2O3) deklagen ontwikkelt. Deze keramische deklaag die functioneert als een warmteschild, hiermee worden metalen onderdelen (bijvoorbeeld turbineschoepen) gecoat zodat deze bestand zijn tegen een temperatuur van 1100° C.

Helaas kunnen keramische deklagen maar tegen een maximum temperatuursverschil beschermen voordat het substraat bezwijkt door blootstelling aan een te hoge temperatuur. De heilige graal voor de turbine industrie is daarom ook, het succesvol ontwikkelen van een volledig keramische turbineschoep. Onderzoeksprojecten in de jaren ’80 dachten de oplossing te hebben gevonden door vezelversterkte keramische turbineschoepen te creëren. Helaas faalde deze projecten omdat de vezels toch niet bestand bleken tegen de helse temperaturen binnen een turbine.

In maart 2012 zijn vijf Fraunhofer instituten (IFF, IPK, IKTS, IWS en SCAI) het tweejarige samenwerkingsverband ‘Turbokeramik’ aangegaan om deze queeste voort te zetten. Hoofddoel van het project: Een fundamentele basis leggen voor de toekomstige mogelijkheden van keramische schoepen met betrekking tot materiaal en productiemogelijkheden. Na het vastleggen van deze basis zal vervolgens deze kennis worden overgedragen naar grote bedrijven zodat deze het onderzoek kunnen voortzetten.

Momenteel houdt het project zich bezig met aanpassingen aan de geometrie van de schoepen, dit wordt gedaan met zowel ‘finite element method’ (FEM) als ‘computational fluid dynamics’ (CFD) programma’s. Daarnaast wordt onderzocht welke productiemethoden geschikt zijn voor het vervaardigen van de verschillende keramische onderdelen binnen de turbine. Hiermee wordt het hele ‘hete gas gedeelte’ (alle onderdelen na de brander van de turbine) van de turbine compleet op de schop genomen. Omdat keramische onderdelen zeer slecht bestand zijn tegen buiging, hebben de wetenschappers van ‘Turbokeramik’ het conventionele gasturbine ontwerp onder de loep genomen. Via reverse-engineering is het onderzoeksteam niet uitgekomen op een axiale, maar een radiale turbine.

Er is in dit project gekozen voor het keramisch materiaal ‘silicium nitride’ (Si3N4). Silicium nitride heeft een smeltpunt van 1900° C en vertoont op extreme temperaturen (1400° C) nog goede mechanische, thermische, chemische eigenschappen. Binnen ‘Turbokeramik’ wordt voorlopig gestreefd naar een turbineschoep die nog operationeel is op 1200° C. Als dit eenmaal is gerealiseerd richt het onderzoeksteam zich op schoepen die tot 1400° C kunnen functioneren. Momenteel wordt silicium nitride gebruikt in onder andere: onderdelen die op extreme temperatuur moeten opereren (bv kogellagers van turbines), slijtagebestendig gereedschap en meetgereedschap (vanwege hardheid silicium nitride).  Voor de productie van deze turbine schoepen wordt eerst silicium nitride poeder in een matrijs gespuitgiet, daarna wordt dit poeder door middel van sinteren tot één geheel gesmolten. Tot slot wordt de schoep geslepen tot zijn uiteindelijke vorm.

Naast het ontwikkelen van een keramische schoep onderzoekt ‘Turbokeramik’ ook de mogelijkheden om gasturbines op biobrandstoffen te laten lopen. Dit is tot dusver niet mogelijk doordat de chemische samenstelling van biobrandstoffen leidt tot buitensporige ‘hoge temperatuur corrosie’ (HTC). Daarnaast biedt zo’n coating nog een andere uitkomst. In energiecentrales worden vaak uitlaatgassen van verbrandingsprocessen nogmaals in een turbine verbrand om energie op te wekken. Deze uitlaatgassen veroorzaken, mits ze gezuiverd worden, ook HTC. Met een coating die tegen HTC beschermt kan de complete zuiveringsstap worden overgeslagen, waardoor er meer energie uit de gassen wordt gewonnen.

De eerste resultaten van ‘Turbokeramik’ zijn veelbelovend, silicium nitride blijkt een goede keus voor keramische turbineschoepen. Nieuwe ontwikkelingen in de turbinebranche hebben in de laatste jaren enkel tot efficiëntieverbetering van enkele tiende procenten geleid. Als ‘Turbokeramik’ succesvol blijkt te zijn dan zal dit, volgens de wetenschappers van ‘Turbokeramik’, uitmonden in een efficiëntievergroting van meerdere procenten, een ongekende doorbraak in een industrie die uitgekristalliseerd leek te zijn.

Met dank aan: Ir. Markus Röhner, Projectleider ‘ Turbokeramik’ bij het Fraunhofer IPK
Website project: Fraunhofer Instituut

Comments Off on ‘Turbokeramik’, het stenen tijdperk voor de gasturbine is aangebroken

Filed under Chemie, Duitsland, Energie, High Tech, Innovatie algemeen

Comments are closed.