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I materiali metallici e ceramici utilizzabili per la realizzazione di una microturbina ad alta efficienza

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I materiali metallici e ceramici utilizzabili per la realizzazione di una microturbina ad alta efficienza

Studi teorici e sperimentali hanno consentito di valutare le potenzialità dell’utilizzo di superleghe metalliche monocristalline o di materiali ceramici e relativi rivestimenti protettivi per realizzare una micro turbina a gasad alta efficienza elettrica. Per entrambi i filoni di attività sono stati identificati materiali e rivestimenti in grado di essere eserciti a temperature significativamente superiori a quelle attuali e necessarie per ottenere unincremento significativo di efficienza.

Attualmente il mercato della generazione distribuita con produzione combinata di energia elettrica e calore è dominato da sistemi cogenerativi che utilizzano motori a combustione interna. Le microturbine possono rappresentare un’interessante alternativa, in quanto assommano al vantaggio di basse emissioni una maggiore flessibilità sulla tipologia di combustibile e minore incidenza degli oneri di manutenzione, ma il loro attuale basso rendimento elettrico ne limita l’impiego su vasta scala. Per superare questa limitazione è necessario innalzare la temperatura del gas all’ingresso della turbina. Questa soluzione non può prescindere dall’individuazione di materiali in grado di essere eserciti a temperature superiori a quelle attuali. In tale prospettiva le attività si sono focalizzate su due filoni di ricerca: utilizzo di superleghe metalliche monocristalline o di materiali ceramici e relativi rivestimenti protettivi.

L’attività modellistico sperimentale sui materiali metallici, effettuata in collaborazione con l’Università di Genova, ha portato ad individuare una superlega monocristallina compatibile con un esercizio a temperature tali da consentire un significativo miglioramento del rendimento elettrico della microturbina (5 – 6%), mantenendo, seppur con le dovute modifiche, la configurazione monoalbero adottata oggi da tutti i principali costruttori. Lo studio svolto consente di ritenere plausibili le affermazioni fatte da uno dei principali costruttori circa la prossima messa sul mercato di una microturbina a gas in cui, insieme ad altri accorgimenti progettuali, il rotore realizzato con parti in superlega monocristallina contribuirà a raggiungere un rendimento pari a circa il 40% in condizioni NTP (Normal Temperature & Pressure).

Per quanto riguarda i materiali ceramici, nel corso dell’annualità, utilizzando un impianto precedentemente progettato e realizzato in RSE, è stata effettuata una campagna sperimentale finalizzata a valutare i meccanismi e la progressione del danno, nonché l’efficacia di rivestimenti candidati a proteggere da fenomeni corrosivi il materiale ceramico.

L’attività sperimentale ha consentito di individuare una tipologia di rivestimento protettivo che in termini di composizione e tecnica di deposizione ha dimostrato di resistere ai fenomeni di degrado ad alta temperatura per tempi che si stimano essere compatibili con la vita di progetto di un rotore ceramico. Questi risultati, unitamente a quelli conseguiti nel corso delle passate annualità, forniscono elementi positivi a supporto di quanto dichiarato da un piccolo costruttore statunitense (Brayton Energy) circa la possibilità di realizzare una microturbina multi-albero con parti ceramiche che abbia un rendimento elettrico superiore al 40%. Si ritiene che lo sviluppo di un cogeneratore con queste caratteristiche possa aprire notevoli prospettive applicative, rendendo conveniente la cogenerazione di piccola taglia anche per quel grandissimo numero di utenze che presentano una domanda di calore stagionale (settore residenziale e terziario).

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