Des avancées prometteuses pour une production efficace d’électricité au charbon par les chercheurs de l’IITB


dMUMBAI : Les chercheurs recherchent continuellement des moyens de rendre la production d’électricité au charbon plus propre et plus efficace. Expériences innovantes ont été menées sur un nouveau type d’alliage de nickel qui a montré une résistance prometteuse à l’oxydation dans des conditions extrêmes de température et de pression.
Ces résultats peuvent jouer un rôle déterminant dans la réduction des impacts environnementaux de l’utilisation de sources à base de combustibles fossiles comme le charbon pour la production d’électricité tout en augmentant les niveaux d’efficacité dans le secteur de l’électricité. À l’heure actuelle, la plupart des centrales électriques au charbon fonctionnent dans des conditions sous-critiques (pression de 17 MPa et 540 ℃ température) produisent de la vapeur à partir d’eau pure pour la production d’électricité. L’eau et la vapeur à haute température générées peuvent corroder la surface des tubes qu’elles traversent en raison de l’oxydation. Cela peut également provoquer la formation d’un mince film sur la surface, comme un revêtement, susceptible de réduire l’efficacité de la production d’électricité. L’eau dans l’Advanced Ultra proposé
Les usines supercritiques (AUSC), conçues pour fonctionner à une pression de 32 MPa et à une température de 710 ℃, devraient corroder les tubes de manière beaucoup plus significative. Le défi pour accroître l’efficacité, la sécurité et la fiabilité de ces installations est de prévenir autant que possible la corrosion. Les chercheurs ont exploré divers superalliages qui sont des alliages de nickel, de fer-nickel et de cobalt résistants à la chaleur et pouvant être utilisés à des températures élevées.
Une équipe de chercheurs de l’Institut indien de technologie de Bombay (IIT Bombay) ont rapporté des résultats prometteurs dans un test d’oxydation à la vapeur mené sur le superalliage à base de nickel 617, ou alliage 617, qui devrait transformer la fonctionnalité des centrales électriques au charbon. Les tests ont été effectués dans un environnement simulé Advanced Ultra Supercritical (AUSC), spécialement conçu pour reproduire les conditions extrêmes de température et de pression qui existent dans une centrale électrique au charbon.
Les centrales électriques AUSC sont un type spécial de centrales électriques qui fonctionnent à des températures et des pressions extrêmement élevées – environ 710 ℃ et 32 ​​MPa, respectivement. Ces conditions permettent à la centrale électrique d’atteindre un rendement thermique d’environ 50 % et de convertir une plus grande partie du charbon de la centrale en électricité utilisable. Ainsi, elle pourrait réduire les émissions de dioxyde de carbone d’environ 30 % par rapport aux centrales électriques sous-critiques. Le défi réside dans le développement de matériaux capables de résister à ces conditions de fonctionnement difficiles tout en ne se déformant pas sous des contraintes extrêmes à des températures plus élevées spécifiées (résistance au fluage) et en présentant une résistance à l’oxydation.
« Nous étions naturellement ravis de travailler sur ce projet car toute recherche susceptible de contribuer à réduire les émissions de carbone est toujours la bienvenue. Compte tenu de l’expertise de l’IIT Bombay, nous avons été invités par la Direction de la mission, Advanced Ultra Supercritical Project, du gouvernement indien, dirigé par SC Chetal, à entreprendre cette étude. Il s’agissait d’un projet national en mode mission et le gouvernement indien souhaitait aller de l’avant avec des centrales thermiques avec une efficacité thermique plus élevée », explique le professeur Raja pour motiver cette étude. Jusqu’à présent, l’alliage 617 est resté relativement inexploré pour une utilisation potentielle dans la technologie AUSC en raison des difficultés liées à la création d’une boucle d’essai simulant les conditions extrêmes d’une boucle d’essai d’oxydation à la vapeur AUSC.
Les études précédentes ont été limitées et peu concluantes, les conditions de température et de pression de la vapeur examinées ne dépassant pas respectivement 670 ℃ et 27 MPa et la chimie de l’eau n’étant pas contrôlée avec précision. Les chercheurs ont exposé l’alliage 617 à un test de vapeur AUSC simulé, soumis à une plage de 650 à 710 ℃ à 31 MPa pendant 600 heures pour simuler un environnement similaire à celui du surchauffeur et des tubes de réchauffeur de la centrale électrique. « Un aspect unique de cette étude est que nous sommes partis de zéro et que la configuration expérimentale a été conçue et fabriquée localement par les ingénieurs M/s Symec. Il s’agit d’une première étude du genre en Inde. Très peu d’installations de ce type existent dans le monde et c’est la seule de ce type en Inde », note le professeur Raja.
En outre, récemment, à l’initiative de SC Chetal et du département des sciences et technologies du programme indien Advanced Ultra Supercritical, un atelier d’une journée pour explorer l’utilisation de cette installation par NTPC et BHEL a été organisé.
Le développement de son installation a ouvert la possibilité de mener de nombreuses expériences pour améliorer la compréhension de l’influence de la chimie de l’eau sur la corrosion. Après l’atelier, le département des sciences et technologies (DST) du gouvernement indien a exprimé son intérêt à offrir un soutien supplémentaire pour collaborer avec le BHEL et le NTPC afin d’étudier la chimie de l’eau et d’établir les paramètres de traitement de l’eau pour les usines AUSC. Dans cette étude récente, le comportement à l’oxydation de l’alliage 617 a été testé dans le nouveau dispositif expérimental conçu localement.
Les chercheurs ont montré un gain de poids à des niveaux insignifiants et ont observé une couche interne d’oxyde de chrome et des îlots externes de complexe minéral d’oxyde de chrome à base de manganèse, de nickel ou de fer (spinelle) sur l’échelle d’oxyde – la couche protectrice qui se forme sur les métaux pour empêcher une corrosion supplémentaire. .
Ils ont découvert que le tartre d’oxyde ne montrait pas de présence considérable de spinelle externe en raison de la diffusion limitée vers l’extérieur des ions métalliques à des températures plus basses, protégeant ainsi le métal sous-jacent. Des études antérieures avaient suggéré une oxydation interne de l’alliage 617 en raison de sa teneur considérable en aluminium.
Cependant, l’étude actuelle dans l’environnement simulé a révélé qu’il y avait une précipitation négligeable d’oxydes d’aluminium même après 600 heures à 710 ℃. « Bien que l’étude ait duré 600 heures, peut-être moins que la période de fonctionnement des composants de la centrale électrique, ce qui est important est que nous puissions comprendre la science de l’oxydation afin de pouvoir en déduire les paramètres susceptibles d’affecter le processus de corrosion. Nous explorons actuellement d’autres candidats potentiels comme l’alliage 740 et le 304HCu, par exemple », remarque le professeur Raja.
Ces résultats présentent l’alliage 617 comme un matériau candidat prometteur pour les tubes de surchauffeur et de réchauffeur pour la technologie AUSC. Sa capacité à maintenir son intégrité à des niveaux plus proches des conditions AUSC indique le potentiel de l’alliage pour exploiter une technologie de charbon plus propre.
De telles innovations nous rapprocheront encore davantage des centrales électriques au charbon plus propres et plus économes en énergie du futur. Des recherches plus approfondies doivent désormais se concentrer sur la fiabilité à long terme de l’alliage 617 en fonctionnement continu dans des conditions AUSC.
« Étant donné que l’Inde dispose de vastes ressources en charbon et que l’énergie issue du charbon continue de contribuer au marché mondial de l’énergie, cette recherche est primordiale pour améliorer la durabilité environnementale de ces centrales électriques à long terme », note le professeur Raja. L’amélioration de la technologie AUSC pourrait permettre des gains d’efficacité et des réductions d’émissions significatifs, bénéficiant ainsi à l’environnement tout en maintenant la productivité économique du secteur de l’énergie.
Le travail a été financé par la Direction de la mission, Advanced Ultra Supercritical Project, du gouvernement indien, et plus tard, il a également reçu des subventions du projet national sur l’énergie propre au charbon, du gouvernement indien et du Centre Indira Gandhi pour la recherche atomique (IGCAR), Kalpakkam. . Il s’agit d’une collaboration passionnante entre IGCAR Kalpakkam, NTPC, BHEL et IISc Bangalore et les chercheurs Bhagwat Ghule et Sundaresan C ont déployé un travail considérable pour fructifier le projet.



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