Tối ưu hóa hiệu quả và hiệu suất của các tua bin chạy bằng hydro trong tương lai
Năm 1884, kỹ sư hàng hải Charles Parson đã sử dụng than để cung cấp năng lượng cho phát minh mang tính đột phá của mình, tua bin hơi nước nhiều tầng, để sản xuất điện. Cuộc cách mạng công nghệ này đã đánh dấu một bình minh mới của việc sản xuất và tiêu thụ điện trên toàn thế giới. Ngày nay, nhu cầu điện và năng lượng ngày càng tăng của nhân loại đòi hỏi các tua bin hiệu quả hơn và nhiên liệu thân thiện với môi trường.
Để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai gần thông qua công nghệ vật liệu đột phá, các kỹ sư tại Texas A&M đã được Bộ Năng lượng cấp vốn. Với sự hỗ trợ này, mục tiêu của họ là phát triển một hệ thống vật liệu cho tua bin khí có thể hoạt động bằng nhiên liệu hydro thay vì khí đốt tự nhiên. Hệ thống này sẽ bao gồm hợp kim hiệu suất cao, lớp phủ bảo vệ và hệ thống làm mát.
Tiến sĩ Don Lipkin , giáo sư khoa khoa học và kỹ thuật vật liệu và là nhà nghiên cứu chính của khoản tài trợ, cho biết:
Hoa Kỳ đã đặt ra mục tiêu đầy tham vọng là khử cacbon trong năng lượng vào năm 2035,
“Chúng ta cần các giải pháp vật liệu cho tua-bin khí tiên tiến vừa sạch hơn vừa hiệu quả hơn; nghĩa là tua-bin có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nhiều và sử dụng khí hydro thay vì khí tự nhiên để không tạo ra carbon dioxide.”
Tua-bin chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Trong những cỗ máy này, các cánh quạt gắn vào một trục trung tâm. Khi các cánh quạt này quay, giống như các cánh quạt, trục quay, làm quay máy phát điện và tạo ra điện. Trong tua-bin của Parson, các cánh quạt được chuyển động nhờ hơi nước tạo ra từ nước đun bằng than. Vào những năm 1930, các nhà máy điện đốt than dần chuyển sang sử dụng khí đốt tự nhiên để cải thiện hiệu suất sản xuất điện và giảm lượng khí thải carbon dioxide. Trong tua-bin khí, áp suất từ khí nén được đốt cháy làm quay các cánh quạt để tạo ra điện thay vì hơi nước.
Mục tiêu của thế hệ tua bin tiên tiến tiếp theo là hiệu quả hơn nữa và thay thế khí đốt tự nhiên bằng hydro, loại có lượng khí thải carbon tối thiểu. Tuy nhiên, những mục tiêu này mở ra hai vấn đề khác.
Hoa Kỳ đã đặt ra mục tiêu đầy tham vọng là khử cacbon trong năng lượng vào năm 2035. Chúng ta cần các giải pháp vật liệu cho các tua-bin khí tiên tiến vừa sạch hơn vừa hiệu quả hơn; nghĩa là các tua-bin có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nhiều và sử dụng khí hydro thay vì khí tự nhiên để không tạo ra carbon dioxide. Tiến sĩ Don Lipkin
Lipkin nói:
Các tua-bin rất hiệu quả cần phải hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nhiều, khoảng 3000 độ F hoặc cao hơn, và chúng ta cần các giải pháp vật liệu cho các tua-bin tiên tiến có thể hoạt động trong những chế độ nóng hơn này,
“Vấn đề khác là khi bạn đốt hydro trong không khí, bạn tạo ra nhiều hơi nước hơn so với khi đốt khí đốt tự nhiên. Hầu hết các vật liệu tuabin sẽ cho thấy dấu hiệu hư hỏng nhanh khi tiếp xúc với nhiệt độ cao và môi trường rất ẩm ướt.”
Vật liệu dùng để chế tạo tua-bin là siêu hợp kim chủ yếu gồm niken và coban, với một lượng nhỏ các nguyên tố khác, chẳng hạn như crom, nhôm, vonfram, molypden và niobi. Vấn đề chính với siêu hợp kim gốc niken là chúng bắt đầu nóng chảy ở nhiệt độ 2400 F. Do đó, các kỹ sư đang nghiên cứu một loại hệ thống vật liệu mới gọi là hợp kim entropy cao chịu nhiệt (RHEA), nhiều loại trong số đó có nhiệt độ nóng chảy trên 3500 F. Theo Giai đoạn 1 của chương trình ULTIMATE của Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến-Năng lượng (ARPA)-E, nhà khoa học vật liệu Tiến sĩ Raymundo Arróyave của Texas A&M đã xác định một số RHEAs đầy hứa hẹn.
Arróyave, người đồng nghiên cứu chính trong dự án này cùng với Tiến sĩ Ibrahim Karaman , cho biết:
Để giải quyết vấn đề tưởng chừng như không thể này, chúng tôi sử dụng các công cụ thiết kế hợp kim tiên tiến do nhóm của chúng tôi tiên phong,
“Việc phát hiện ra các hợp kim mới có khả năng chịu được những môi trường khắc nghiệt này cũng giống như việc tìm kim trong đống cỏ khô đa chiều vậy.”
Trong bước tiếp theo, Lipkin và nhóm của ông sẽ thử nghiệm xem RHEAs với lớp phủ được thiết kế riêng do nhóm A&M phát triển có thể chịu được nhiệt độ cao, quá trình oxy hóa và độ ẩm cùng lúc hay không. Họ đang tạo ra một thiết lập thử nghiệm rất giống với phần nóng nhất của một tua bin khí đốt hydro. Nói một cách đơn giản, hydro và không khí được nén ở áp suất cao sẽ được nén qua các ống nhỏ hình vòi phun tên lửa và được đốt cháy. Quá trình này tạo ra khí và hơi nước nóng, tốc độ cao thoát ra khỏi vòi phun ở tốc độ siêu thanh và tác động vào các phiếu giảm giá RHEA.
Nhóm nghiên cứu sẽ điều tra khả năng phục hồi của hệ thống vật liệu RHEA — bao gồm hợp kim nền, lớp phủ chống oxy hóa và lớp phủ chắn nhiệt — trong môi trường tuabin khí hydro mô phỏng có và không có làm mát.
Lipkin nói:
Một cách chúng ta có thể đạt được mục tiêu giảm carbon trong lĩnh vực năng lượng là giữ nguyên toàn bộ cơ sở hạ tầng tạo ra năng lượng nhưng chuyển sang đốt hydro làm nhiên liệu, thay vì khí đốt tự nhiên.
“Không có giải pháp nào có thể áp dụng cho toàn bộ cơ sở hạ tầng năng lượng tại Hoa Kỳ; mà phải là sự kết hợp giữa năng lượng tái tạo và không tái tạo.”
Việc tài trợ cho nghiên cứu này được quản lý bởi Trạm thí nghiệm kỹ thuật Texas A&M (TEES), cơ quan nghiên cứu chính thức của Texas A&M Engineering.
Tối ưu hóa hiệu quả và hiệu suất của các tua bin chạy bằng hydro trong tương lai
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
