Wodór, metanol, paliwa syntetyczne, biopaliwa, amoniak – każde z nich ma swoich zwolenników i każde może znaleźć dla siebie miejsce. Tyle tylko, że elektrownie, turbiny i cała otaczająca je infrastruktura nie powstają na pięć lat. Budujemy je z myślą o dekadach pracy, a trudno dziś przewidzieć, czym dokładnie będziemy chcieli je zasilać w połowie XXI wieku. Dlatego znacznie rozsądniej brzmi przygotowanie maszyn na kilka różnych scenariuszy jednocześnie. W przypadku turbin gazowych właśnie taki kierunek badają naukowcy z Uniwersytetu w Stuttgarcie. Ich nowy, wykonany metodami druku 3D system wtryskowy ma radzić sobie zarówno z wodorem, jak i gazem ziemnym, kerozyną, metanolem oraz innymi e-paliwami.
Jedna dysza musi obsłużyć paliwa, które zachowują się zupełnie inaczej
Na pierwszy rzut oka sprawa może wydawać się prosta. Skoro turbina potrafi spalać paliwo, to wystarczy podać jej inne. Problem w tym, że wodór, gaz ziemny czy lepka kerozyna pod względem właściwości fizycznych dzieli całkiem sporo. Różnią się sposobem przepływu, mieszania z powietrzem i zachowaniem podczas spalania. Układ wtryskowy musi tymczasem dostarczyć odpowiednią ilość paliwa, bardzo dobrze połączyć je z powietrzem i zrobić to w taki sposób, żeby spalanie było możliwie czyste oraz stabilne.
Czytaj też: Wyciągnął klimatyzator ze śmietnika. Teraz chłodzi cały dom gruntową pompą ciepła
Zespół kierowany przez Fabiana Hamppa wykorzystał więc rozwiązania wywodzące się z turbin lotniczych i dostosował je do niewielkiego systemu wtryskowego produkowanego addytywnie. Wcześniejsze prace badaczy nad podobnym układem typu airblast pozwalały rozbijać ciekłe paliwo na krople mniejsze niż 25 mikrometrów. Im drobniejsza i bardziej równomierna mgła paliwowa, tym łatwiej dokładnie wymieszać ją z powietrzem przed spalaniem.
Ma to bezpośrednie znaczenie również dla emisji. Przy paliwach zawierających węgiel kiepskie przygotowanie mieszanki sprzyja powstawaniu sadzy i innych produktów niepełnego spalania. Wodór usuwa problem emisji dwutlenku węgla wynikającej bezpośrednio ze spalania samego paliwa, ale wysoka temperatura nadal może sprzyjać powstawaniu tlenków azotu. Nie wystarczy więc zamienić gazu ziemnego na wodór i uznać problem za rozwiązany.
Druk 3D pozwala stworzyć taką dyszę, ale sam również jest problemem
Produkcja części turbin z wykorzystaniem druku 3D nie jest już dziś szczególnie zaskakująca. Pisałem wcześniej choćby o chińskim silniku turboodrzutowym wykonanym niemal w całości metodami addytywnymi, a podobne technologie coraz częściej pojawiają się również w lotnictwie i energetyce. Dysza wtryskowa jest jednak wyjątkowo niewdzięcznym elementem do takiej produkcji. Drukowanie metalowego elementu metodą laserowego stapiania proszku pozwala tworzyć bardzo skomplikowane kanały wewnętrzne, których wykonanie klasycznymi metodami byłoby trudne albo wręcz niemożliwe. Tyle że powierzchnie pozostawione po takim procesie nie są idealnie gładkie.
Przy dużym elemencie nie musi to mieć większego znaczenia. Przy maleńkich kanałach, przez które trzeba bardzo precyzyjnie podać paliwo i rozbić je na drobną mgłę, każda nierówność zaczyna wpływać na przepływ. Niemcy musieli więc zaprojektować system tak, żeby działał prawidłowo mimo ograniczeń samego procesu produkcyjnego.
Czytaj też: Usunęli anodę z akumulatora. Tak może zacząć się nowa era samochodów elektrycznych
W efekcie sam druk 3D może przynieść kolejną korzyść z tej pracy. Palniki i komory spalania już dziś mogą być wytwarzane addytywnie, więc w przyszłości system wtryskowy dałoby się zintegrować bezpośrednio z większym elementem turbiny. Mniej części i większa swoboda projektowania wewnętrznych kanałów mogą w dłuższej perspektywie uprościć produkcję. Nowa technologia nie musi więc zostać ograniczona wyłącznie do turbin projektowanych od zera. Badacze widzą również możliwość wykorzystania podobnych układów do modernizacji istniejących konstrukcji.
Jeśli ten element projektu rzeczywiście wypali, to może się okazać znacznie ważniejszy od samego faktu wydrukowania dyszy w 3D. Najtańsza turbina przyszłości może być bowiem turbiną, którą już zbudowaliśmy, a tak się składa, że energetyka dysponuje ogromną liczbą instalacji projektowanych z myślą o gazie ziemnym oraz paliwach kopalnych. Natychmiastowe wyrzucenie całej tej infrastruktury i zastąpienie jej nowymi maszynami byłoby potężnym kosztem finansowym oraz materiałowym. Możliwość wymiany części układu spalania i przystosowania istniejącej turbiny do innego paliwa brzmi więc znacznie bardziej pragmatycznie.
Podobny kierunek widać zresztą w innych eksperymentach. Rozwijane są turbiny spalające wodór, powstają też systemy wykorzystujące amoniak jako paliwo. Nie wygląda więc na to, żeby branża miała już jednego oczywistego następcę gazu ziemnego.
Na razie nie jest to gotowa rewolucja turbin
Tutaj warto jednak zatrzymać zapędy. Niemiecki system nie jest jeszcze gotowym produktem, który można wsadzić do starej elektrowni. Dotychczasowe próby zostały przeprowadzone w laboratorium, a naukowcy chcą teraz dalej optymalizować zarówno proces druku, jak i geometrię samego wtryskiwacza. Kolejnym etapem ma być prototyp i testy z różnymi paliwami w bardziej rzeczywistych warunkach.
Czytaj też: Lepsze panele słoneczne? Laboratoryjny cud fotowoltaiczny wyszedł na powietrze
Projekt AMFlexInj otrzymał 1,5 mln euro finansowania, czyli około 6,56 mln zł według obecnego kursu, a prace mają potrwać do końca 2029 roku. Jest więc jeszcze sporo czasu na odkrycie problemów, których dziś nie widać. Mimo tego sam kierunek wydaje mi się rozsądniejszy od kolejnego zakładu, że jedno konkretne paliwo “wygra przyszłość”. Być może część elektrowni przejdzie na wodór, inne będą korzystać z metanolu albo paliw syntetycznych, a jeszcze gdzie indziej przez długie lata pozostanie gaz ziemny stopniowo zastępowany innymi źródłami energii.
W takim świecie największą przewagą turbiny nie będzie to, że zaprojektowano ją pod paliwo przyszłości. Znacznie ważniejsze może okazać się to, że nie będzie musiała wiedzieć, jakie właściwie to paliwo będzie.
Źródła: Uniwersytet w Stuttgarcie, IVLR, Departament Energii USA
