Il gas naturale è uno dei protagonisti dell’economia energetica ed il suo impiego nei sistemi di generazione elettrica aumenta costantemente. La macchina più efficace con cui viene utilizzato il gas naturale per generare energia elettrica è la turbina a gas, la cui efficienza può essere incrementata con l’innalzamento della temperatura dei gas di combustione in ingresso in turbina (TIT). In un ciclo combinato, passando dagli attuali 1300°C a 1500°C si ottiene un aumento di efficienza di 4-5% con riduzione del consumo di gas naturale e delle emissioni di CO 2 . Dati recenti indicano per i cicli combinati a gas naturale della prossima generazione efficienze fino al 60%. L’aumento della TIT è stato ottenuto, oltre che con le nuove tecniche di raffreddamento laminare delle pale con la disponibilità di nuovi materiali più resistenti alle alte temperature. I nuovi materiali sono dunque da considerare la barriera tecnologica per lo sviluppo di nuove turbine a gas e rivestono un ruolo fondamentale verso cicli termici che possano essere definiti sistemi puliti di generazione di energia elettrica. Come conseguenza le attività di R&S sui materiali trovano sempre più facilmente spazio e supporto nell’ambito di programmi nazionali ed internazionali con finalità “ambientali”. Inoltre, affinché l’utilizzo dei nuovi materiali possa essere assicurato nel tempo nelle condizioni severe di esercizio, è necessario poter verificare le effettive condizioni di lavoro per mezzo di idonei sistemi e metodologie diagnostiche. In Italia non sono attualmente attivi specifici programmi di ricerca sull’energia nei quali trovino significativo riscontro le attività sui materiali per turbine a gas. Sono in corso molti progetti sui materiali sia nell’ambito del progetto finalizzato del CNR su “Materiali Speciali per Tecnologie Avanzate II” sia in azioni del “Piano Nazionale Materiali Innovativi Avanzati” del Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca, ma essi appaiono dispersi e non riconducibili facilmente alle problematiche della generazione di energia elettrica. In tale contesto si inserisce il ruolo del CESI che, attraverso la Ricerca di Sistema, avvalendosi anche della collaborazione di società e università (Enel Produzione, Università di Trento, Politecnico di Milano, ecc.) ha definito ed avviato specifiche azioni di R&S finalizzate al miglioramento delle prestazioni degli attuali sistemi di generazione nonché alla valutazione delle tecnologie innovative, nei quali gli studi sui materiali e sulle tecnologie correlate hanno un peso rilevante per la loro criticità. Per questo nel sottoprogetto GENIN si è dato ampio spazio ad attività di ricerca finalizzate a questi due temi principali dei materiali e delle tecniche diagnostiche e di monitoraggio in linea delle turbine a gas. Partendo da materiali, sistemi e tecnologie disponibili nel mercato (nell’industria o in centri di ricerca specializzati), le ricerche sono orientate alla verifica delle prestazioni di materiali e sistemi ed alla loro qualifica per l’utilizzo finale, nonché allo sviluppo di tecnologie innovative di supporto all’esercizio e alla manutenzione degli impianti, con particolare attenzione alle parti più critiche. Di seguito sono citate le linee e i risultati principali. Per quanto riguarda la caratterizzazione delle superleghe, le attività CESI, con mirati programmi sperimentali (prove di fatica, di creep ed analisi microstrutturali), integrati con quelli relativi alla partecipazione a progetti europei, hanno l’obiettivo di verificare le prestazioni di alcuni materiali innovativi (monocristalli) in vista del loro impiego nelle grosse turbine a gas per la generazione di energia elettrica; inoltre sono in corso azioni sullo studio dei modelli di degrado delle superleghe per la determinazione della vita residua dei componenti eserciti a temperature elevate.

Nell’ambito della caratterizzazione di rivestimenti innovativi (alluminiuri di nichel applicati con la tecnica CVD per pareti interne delle palette e rivestimenti multigraded con barriere antidiffusione), particolare attenzione è posta alla caratterizzazione delle loro proprietà termoficiche (conducibilità termica e diffusività) dell’adesione e del degrado delle proprietà protettive in esercizio, per la determinazione delle quali sono state messe a punto specifiche metodologie (es. laser thermal shock/thermal fatigue e ossidazione ciclica). Tra le tecnologie di deposizione dei rivestimenti metallici particolare attenzione è posta al processo HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), che, a parità di prestazioni tecniche, potrebbe soppiantare nel prossimo futuro il processo VPS ( Vacuum Plasma Spray) molto più costoso. Tra le tecnologie di controllo non distruttivo, CESI sta implementando un sistema altamente innovativo basato sulla tecnologia FSECT (Frequency Scanning Eddy Current Technique), in grado di effettuare misure di spessore e di seguire l’evoluzione composizionale del rivestimento (depauperamento della fase beta ricca di alluminio e quindi protettiva dall’ossidazione a caldo). Per quanto riguarda le barriere termiche ceramiche (TBC), le attività di ricerca sono prevalentemente indirizzate ai nuovi processi di deposizione (EB-PVD e CVD) ed alle metodologie di caratterizzazione e controllo: in particolare si studia la messa a punto di metodologie per la determinazione della conducibilità termica di TBC in funzione di contenuto morfologia e orientazione della porosità. Sono poi state effettuate valutazioni ingegneristiche dell’effetto dell’applicazione di barriere termiche sui componenti delle turbine a gas, al fine di determinare la diminuzione di temperatura di esercizio del materiale strutturale in presenza di tale rivestimento. Infine per il controllo difettologico e dello stato di adesione delle TBC è stata verificata l’applicabilità della tecnica della termografia impulsata, con particolare riferimento ai distacchi e alla scarsa adesione al substrato metallico. Per venire incontro all’esigenza degli esercenti delle turbine a gas di aumentare disponibilità e affidabilità degli impiantisenza aumentare i costi di manutenzione già elevati, è stato sviluppato un sistema per la valutazione della vita residua delle parti calde ( Life Management System, LMS), cioè un complesso sistema software in grado di utilizzare i risultati delle caratterizzazioni e delle leggi di danno dei materiali e dei rivestimenti su descritte, i risultati di calcoli fluidodinamici e le distribuzioni di sollecitazioni e deformazioni ottenute con calcoli agli elementi finiti, per prevedere la vita residua dei componenti critici, in base alle effettive condizioni di esercizio (numero di ore di funzionamento, di avviamenti, di fermate regolari o di emergenza). Dato l’elevato costo dei componenti critici delle turbine a gas, in particolare delle palette dei primi stadi, sono state avviate e sono tuttora in corso ricerche nel campo delle riparazioni basate su processi laser, finalizzate da un lato all’innovazione dei processi sui materiali tradizionali (contenimento dei costi, estensione a componenti complessi o a zone critiche di uno stesso componente, applicabilità in campo) e dall’altro alla soluzione del problema della riparabilità dei materiali innovativi (in particolare quelli monocristallini); in particolare è stata verificata sperimentalmente la possibilità di realizzare riporti epitassiali con il laser sulla sommità di piastre di dimensioni analoghe a quelle dei componenti reali. Come già accennato per l’ottimizzazione della gestione delle macchine è molto importante disporre di tecniche di monitoraggio in linea della turbina e per ridurre i costi di manutenzione è necessario poter verificare l’effettivo stato di degrado subito dai componenti in esercizio, prima della loro sostituzione. Sono perciò state svolte attività finalizzate allo sviluppo di tecnologie avanzate per la diagnostica del danno delle parti calde, soprattutto dei rivestimenti protettivi, in modo da poter intervenire prima del danno irreversibile del componente costoso sottostante. Oltre a ciò in collaborazione con gli esercenti degli impianti sono state sviluppate e applicate a livello pilota metodiche di misura in

linea della temperatura delle pale rotanti e tecniche di monitoraggio in linea delle vibrazioni e analisi dei gas di scarico, per la diagnosi precoce di eventuali malfunzionamenti della turbina. Infine è stato trattato anche il tema della combustione catalitica, che consentirà a breve di ridurre le temperature in camera di combustione e quindi il contenuto di NOx emessi in atmosfera, fatto molto promettente per la riduzione dell’impatto ambientale della produzione di energia elettrica. Lo scopo di queste attività di ricerca e sviluppo è quello di fornire al sistema elettrico nazionale un insieme di informazioni e strumenti utili sia per gestire meglio il parco di generazione esistente sia affinché il rinnovo del parco termoelettrico nazionale avvenga in modo sostenibile, con la più elevata efficienza tecnologicamente possibile, con costi sempre inferiori, in sicurezza e nella salvaguardia dell’ambiente. Utilizzatori dei risultati di tali ricerche sono non solo gli esercenti dei sistemi di generazione (società elettriche), ma anche gli utenti finali che potranno avere energia elettrica sempre disponibile, con prezzi inferiori e più pulita.