Перехід світової енергетики на екологічно чисте паливо стикається зі значними технічними викликами, оскільки водень робить метали крихкими та радикально прискорює утворення мікротріщин. Німецький Інститут механіки матеріалів Фраунгофера (Fraunhofer IWM) вперше презентував симуляційну модель, яка здатна фізично розрахувати термін служби деталей таких турбін. Раніше виробники могли лише приблизно оцінити цей процес, тому закладали надмірні коефіцієнти міцності. Це призводило до невиправданих витрат матеріалів та значного обтяження конструкцій турбін.

Згідно з новими законодавчими ініціативами, майбутні газові електростанції, що генеруватимуть електроенергію, повинні будуватися з можливістю повного переходу на водень (H2-ready). Проте найменший у світі атом має руйнівну властивість глибоко проникати в метали і накопичуватися в дефектах кристалічної решітки. За даними дослідників, під впливом водню ріст мікроскопічних тріщин прискорюється у 100 і більше разів. 

Для вирішення цієї проблеми фахівці Fraunhofer IWM розробили нову математичну модель прогнозування. Вона базується на фізичному ефекті HELP (Hydrogen Enhanced Localized Plasticity), який описує, як атоми водню підвищують рухливість дефектів металу на вістрі тріщини, змушуючи матеріал швидше піддаватися руйнуванню. Симуляція дозволяє виробникам математично розрахувати вплив екстремальних умов експлуатації ще до створення перших фізичних прототипів. Таким чином, інженери можуть заздалегідь визначити, які критичні температури та тиск здатна витримати конкретна деталь.

Щоб перевірити точність своїх розрахунків, науковці створили унікальну методику лабораторних випробувань за допомогою спеціальних металевих зразків. У мікроскопічну порожнину всередині металу закачується водень під тиском до 250 бар, тоді як ззовні деталь піддається механічним навантаженням та нагріванню до 1000 градусів за Цельсієм. Такий підхід дозволяє безпечно імітувати реальні умови всередині газової турбіни, уникаючи ризику неконтрольованої реакції водню в звичайних камерах тиску. Отримані під час цих безперервних тестів емпіричні дані слугують для подальшого калібрування математичної моделі.

Промислові виробники також шукають шляхи адаптації до нових вимог використання водневого палива. Наприклад, компанія Siemens Energy заявляє, що використовує для водневих компонентів виключно ті сплави, які не піддаються окрихченню, спираючись на багаторічний досвід роботи з синтетичними газами. Попри ці напрацювання індустрії, нові інструменти тестування від Інституту Фраунгофера стануть фундаментальною базою для сертифікації обладнання. Справжнім випробуванням для цих розрахункових моделей стануть перші промислові об’єкти, які відпрацюють тисячі годин на чистому водні в реальних умовах.

Читайте також: Німеччина модернізує лише чверть газової генерації під водень до 2050 року