Contesto/Motivazioni Lo sviluppo di un sistema di generazione moderno, caratterizzato da un’alta integrazione con il territorio, da semplicità di gestione, elevata efficienza e sicurezza della fornitura, e da una ottimizzata compatibilità ambientale, appare un elemento indispensabile per un utilizzo sostenibile della energia elettrica. L’esigenza di sorvegliare in modo attivo gli sviluppi in corso sulle nuove tecnologie di generazione ad elevata efficienza e ridottissimo impatto ambientale è recepita al CESI in un’attività di ricerca su “Tecnologie innovative di generazione – GENIN”, nella quale sono studiate anche le turbine a gas ultraefficienti e pulite . Il gas naturale è uno dei protagonisti della economia energetica ed il suo impiego nei sistemi di generazione elettrica aumenta costantemente In particolare la tecnologia delle turbine a gas risulta un elemento chiave per l’ottenimento di un aumento dell’efficienza dell’impianto, soprattutto quello a ciclo combinato, e una contemporanea riduzione delle emissioni di CO 2 , grazie all’innalzamento della temperatura e della pressione del gas di combustione in ingresso turbina (TIT). La tematica di GENIN dedicata alle turbine a gas è intesa rivolgersi agli studi sui nuovi materiali, considerati la barriera tecnologica per lo sviluppo di nuove turbine a gas ultraefficienti e pulite, ed agli aspetti di controllo e diagnostica ad essi correlati. Obiettivo Obiettivo generale è quello di ottenere le informazioni e le conoscenze necessarie sui nuovi materiali strutturali e sui rivestimenti innovativi tali da consentire la definizione di “linee guida” e “criteri di scelta” per la progettazione ed il futuro esercizio sicuro ed affidabile dinuove turbine a gas per la produzione di energia elettrica. In particolare l’attività a cui si riferisce questo rapporto riguarda le proprietà meccaniche, microstrutturali e a corrosione/ossidazione delle nuove superleghe sulle quali viene fornito uno stato dell’arte sulla base dei dati raccolti in bibliografia e attraverso contatti con altri centri di ricerca e/o industrie operanti nel settore. Problematica La progettazione e la realizzazione dei turbogas sono condizionati dalla disponibilità di materiali che siano in grado di garantirne l’affidabilità per una vita in servizio, che, per le turbine di tipo industriale, deve raggiungere le 100.000 ore.

L’efficienza del ciclo aumenta al crescere della temperatura di ingresso in turbina. La scelta dei materiali con cui realizzare i componenti soggetti al flusso dei gas caldi prodotti dalla combustione è, quindi, particolarmente critica, in quanto la temperatura massima di impiego di questi componenti limita le prestazioni dell’intera macchina. Gli ugelli e le palette rotanti di turbina di primo stadio costituiscono i componenti operanti nelle condizioni operative più critiche, dal punto di vista dell’integrità del componente: infatti la temperatura dei gas al primo stadio statorico e tra i 1100 e i 1400 °C e vi è uno scambio termico molto alto a causa dell’elevata velocità del gas. Le palette rotanti di primo stadio rappresentano il componente probabilmente più critico dal punto di vista del materiale, in quanto oltre alle temperature elevate, esse sono soggette ad elevati sforzi dovuti a gradienti termici, grandi sollecitazioni meccaniche imputabili alle forze centrifughe, oltre a sollecitazioni dinamiche derivanti dalle pressioni dei gas e dalle vibrazioni. Di rilevante importanza è anche il problema dell’ossidazione e dell’attacco corrosivo, in quanto anche coi sistemi di raffreddamento più efficaci, la temperatura superficiale della paletta rimane a temperature tra i 750 e i 950 °C, in cui la corrosione ad alta temperatura (consegue alla deposizione di contaminanti, liquidi o solidi) e l’ossidazione sono particolarmente accentuate. Risulta quindi evidente il ruolo chiave che giocano i materiali a più alte prestazioni, in grado di operare in condizioni di maggiori sollecitazioni e più elevate temperature: i materiali sono pertanto una delle barriere tecnologiche allo sviluppo di turbine a gas ultraefficienti e pulite. Attività svolta E’ stata condotta una indagine sui materiali strutturali e rivestimenti innovativi per fornire un aggiornamento sugli sviluppi nel settore dei materiali più avanzati proposti per impieghi a temperature elevate, rivolgendosi in particolare alle superleghe a solidificazione direzionale e monocristallina, alle leghe intermetalliche e ai materiali ceramici massivi. E’ proposto un programma di attività anche sperimentali volto all’acquisizione di maggiori conoscenze riguardanti alcune superleghe innovative che meglio si candidano nel medio termine ad un utilizzo nelle turbine a gas di nuova generazione. Oltre ad un programma di caratterizzazione di tipo tradizionale, è descritto un approccio integrato per il trattamento dei risultati di prove normalmente considerate in modo indipendente, che può fornire ulteriori elementi utili in fase di progettazione e di valutazione della vita del componente. Risultati Dall’indagine condotta e dalle informazioni raccolte circa i programmi di ricerca internazionali in corso, le superleghe monocristalline sembrano essere quelle su cui si stanno facendo più sforzi al fine di arrivare ad una comprensione completa dei meccanismi che regolano il loro comportamento in condizioni di sollecitazioni e temperature significative per il loro impiego in turbine a gas industriali. In particolare leghe a solidificazione direzionale (tipo GTD111 DS e IN792 DS) e leghe a monocristallo già di seconda generazione (tipo CMSX-4) vengono nel mondo utilizzate per le palette rotanti di primo stadio.

L’ultima parte del rapporto propone quindi un programma sperimentale, di tipo tradizionale ed anche secondo un approccio integrato, di alcune di queste leghe monocristalline scelte tra le migliori candidate all’impiego in palette di primo stadio. In particolare il programma sperimentale prevede prove di caratterizzazione meccanica (creep, rilassamento, fatica oligociclica e termomeccanica), analisi microstrutturali ed eventuali prove di caratterizzazione a corrosione. L’acquisizione di dati di laboratorio sulla resistenza di questi materiali così come l’aggiornamento continuo della bibliografia relativa (anche ai nuovi materiali sviluppati) permetterà sia di fornire informazioni utili in fase di progettazione di nuovi impianti, sia di comprendere meglio il loro comportamento nelle condizioni di esercizio, in modo da migliorare le tecniche di previsione di vita degli impianti, la loro affidabilità e la loro sicurezza.