11 godzin temu
Ostatnie lata są związane z transformacją energetyczną. Terminologia ta odnosi się do zmiany sposobu produkowania, przesyłania i zużywania energii, tak aby zastąpić paliwa kopalne czystszymi i bardziej zrównoważonymi źródłami energii. Inicjatorem tych zmian jest Rada Europejska, która obrała za cel zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych o co najmniej 55% do 2030 r. w porównaniu z poziomem z 1990 r.1
Równocześnie założyła osiągnięcie do 2050 r. neutralności klimatycznej, przez którą rozumie się równowagę między emitowanymi gazami cieplarnianymi, a ich składowaniem lub pochłanianiem przez zbiorniki wodne, lasy, czy gleby. Cele te są wiążące dla Unii Europejskiej i jej państw członkowskich, dlatego też w ostatnich latach zauważalny jest intensywny rozwój odnawialnych źródeł energii (OZE) i inwestycji w energetykę wiatrową, solarną, wodną, geotermalną, czy pochodzącą z biomasy.
Ze względu na konieczność zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii elektrycznej i w związku z brakiem rozwiniętych sposobów magazynowania energii na dużą skalę oraz usług bilansujących systemy elektroenergetyczne, nieograniczony rozwój OZE nie jest możliwy. Wodór, jako magazyn energii, może odegrać istotną rolę w procesie osiągania neutralności klimatycznej. Unia Europejska, dostrzegając te ograniczenia, opublikowała w 2020 r. strategię wodorową2, w ślad za którą Ministerstwo Klimatu i Środowiska wydało „Polską strategię wodorową do 2030 r. z perspektywą do 2040 r.”3. Dokumenty te określają rozwój gospodarki wodorowej w Europie i w Polsce.
Wodór znajduje coraz szersze zastosowanie w gospodarce, jednak najważniejsze znaczenie w jego rozwoju mają w tej chwili technologie związane z jego produkcją, transportem oraz magazynowaniem. Szczególną rolę w tym obszarze odgrywają materiały konstrukcyjne, zwłaszcza stale, które stanowią podstawę infrastruktury wodorowej.
Rozwój gospodarki wodorowej jest jednoznacznie związany z postępem w dziedzinie materiałów stosowanych do wytwarzania, przesyłu i magazynowania wodoru. Dotyczy to materiałów wykorzystywanych zarówno w elektrolizerach, jak i rurociągach oraz elementach zbiorników magazynowych. Zagadnienia te mają charakter interdyscyplinarny, jednak w kontekście przemysłu przesyłowego szczególne znaczenie przypisuje się stalom, które są powszechnie stosowane w instalacjach transportowych i magazynowych.
Elektrolizery, będące podstawowym elementem produkcji wodoru z wykorzystaniem energii elektrycznej, pracują w środowisku o wysokiej reaktywności chemicznej, często przy podwyższonym ciśnieniu i temperaturze. Wymagają zatem zastosowania materiałów o wysokiej odporności korozyjnej, odpowiednich adekwatnościach mechanicznych oraz stabilności w kontakcie z wodorem. Podobne wymagania stawiane są materiałom wykorzystywanym w infrastrukturze przesyłowej, w której wodór transportowany jest pod ciśnieniem, co dodatkowo potęguje oddziaływanie tego pierwiastka na strukturę metalu.
Wodór, ze względu na niewielki promień atomowy, wykazuje wysoką zdolność do dyfuzji w sieci krystalicznej żelaza, choćby w temperaturze pokojowej. Dotychczasowe badania wskazują, iż kinetyka jego przenikania oraz dyfuzji jest silnie uzależniona od wielu czynników, takich jak struktura krystaliczna metalu, gęstość strumienia wnikającego wodoru, temperatura i ciśnienie, stan powierzchni materiału, skład chemiczny stali, stan naprężeń wewnętrznych oraz obecność tzw. trucizn katalitycznych, wpływających na procesy adsorpcji i absorpcji wodoru4,5. Zjawiska te mogą prowadzić do degradacji adekwatności mechanicznych materiału, w tym do występowania kruchości wodorowej, czy pękania naprężeniowego, co stanowi istotne wyzwanie w projektowaniu i eksploatacji instalacji. Znaczącymi elementami infrastruktury są również systemy magazynowania wodoru, w których stosuje się m.in. zbiorniki wysokociśnieniowe. W tym przypadku najważniejsze znaczenie ma dobór odpowiednich gatunków stali, zapewniających jednocześnie wysoką wytrzymałość oraz odporność na długotrwałe oddziaływanie wodoru.
Wodór znajduje także zastosowanie w nowoczesnych rozwiązaniach transportowych, w tym w rozwijającym się sektorze lotnictwa. Rozważane jest wykorzystanie wodoru zarówno w ogniwach paliwowych, jak i w procesach bezpośredniego spalania w silnikach turbinowych. Produktem spalania wodoru jest głównie para wodna, co czyni go paliwem niskoemisyjnym pod względem emisji CO2. Zarazem specyficzne warunki pracy układów lotniczych wymagają zastosowania materiałów o wysokiej odporności na ekstremalne temperatury, zmienne obciążenia oraz oddziaływanie wodoru.
Rozwój nowoczesnych silników lotniczych wiąże się ze wzrostem ich sprawności poprzez narażanie komponentów na coraz bardziej wymagające warunki pracy. Jednocześnie istotnym kierunkiem rozwoju jest potencjalne zastosowanie paliw wodorowych, które wprowadzają nowe uwarunkowania eksploatacyjne. Przewiduje się, iż ruch lotniczy podwoi się w najbliższych 20 lat. Kierunek rozwoju silników określają również coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące ograniczenia emisji gazów, takich jak NOx oraz hałasu6.
Wyższa temperatura na wlocie do turbiny prowadzi do obniżenia emisji CO i umożliwia osiągnięcie tzw. okna niskich emisji, w którym zarówno COx, jak i NOx utrzymywane są na minimalnym poziomie. Dopuszczalny zakres temperatury, spełniający jednocześnie limity CO i NOx, wynosi ok. 1325-1435°C7. Spełnienie tych wymagań wiąże się z ciągłym podnoszeniem temperatury gazów na wlocie do turbiny oraz koniecznością stosowania nowoczesnych materiałów o podwyższonej trwałości w warunkach utleniania i korozji wysokotemperaturowej8,9.
W kontekście paliw wodorowych istotne jest, iż ich zastosowanie prowadzi do powstawania gazów wylotowych o podwyższonej zawartości pary wodnej, co może skutkować nowymi mechanizmami degradacji materiałów i powłok. Z tego powodu rozwój turbin, zarówno w lotnictwie, jak i energetyce, jest bezpośrednio związany z opracowaniem nowych rozwiązań w zakresie ochrony powierzchni łopatek i kierownic turbin, umożliwiających zwiększenie trwałości komponentów w warunkach charakterystycznych dla spalania wodoru10-12. W konsekwencji rozwój technologii wodorowych jest ściśle powiązany z postępem w inżynierii materiałowej, a zwłaszcza z doskonaleniem adekwatności stali stosowanych w instalacjach produkcyjnych, przesyłowych i magazynowych. Zapewnienie ich trwałości i bezpieczeństwa eksploatacji jest jednym z głównych warunków efektywnego wdrażania gospodarki wodorowej.
Prace realizowane w zakresie rozwoju materiałów do zastosowań wodorowych
Rozwój materiałów do zastosowań wodorowych stanowi w ostatnich latach istotny kierunek działalności Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląskiego Instytutu Technologicznego (Łukasiewicz – GIT). Prowadzone prace koncentrują się na zagadnieniach związanych z oddziaływaniem wodoru na materiały konstrukcyjne. Łukasiewicz – GIT realizuje zarówno prace bezpośrednio zlecane przez podmioty przemysłowe, ukierunkowane na rozwiązywanie konkretnych problemów technologicznych, jak i projekty badawczo-rozwojowe o charakterze krajowym i międzynarodowym. Do najważniejszych z nich w tematyce wodorowej należą projekty:
- MITHRIL, pt. „Development of permeation barrier coatings for steels in hydrogen applications”, realizowany w latach 2025-2029 w ramach programu Fundusz Badawczy Węgla i Stali. Projekt współfinansowany ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach programu Projekty Międzynarodowe Współfinansowane. W skład konsorcjum realizującego projekt wchodzą: RINA Consulting – Centro Sviluppo Materiali S.p.A. (koordynator; Włochy), Flame Spray Hungary Kft. (Węgry), Uniwersytet w Gandawie (Belgia), Il Sentiero International Campus SRL (Włochy), Łukasiewicz – GIT (Polska), Corinth Pipeworks Pipe Industry S.A. (Grecja), Fundación Tekniker (Hiszpania), Uniwersytet w Cagliari (Włochy).
Projekt MITHRIL koncentruje się na opracowaniu, walidacji i wdrożeniu powłok barierowych dla stali przeznaczonej do pracy w środowisku wodorowym. Wśród badanych rozwiązań znajdują się m.in. powłoki diamentopodobne (DLC – diamond-like carbon), niklowo-fosforowe (Ni-P) oraz z tlenku glinu (Al2O3).
Celem projektu jest zapewnienie stali odporności na kruchość wodorową, wydłużenie okresu eksploatacji materiałów oraz zwiększenie bezpieczeństwa ich użytkowania w przemyśle wodorowym. W ramach projektu opracowana zostanie również metodologia przemysłowego wytwarzania powłok barierowych o adekwatnościach mechanicznych dostosowanych do sektora rurociągów wodorowych.
W pierwszej fazie MITHRIL skupia się na sektorze transportowym, jako głównym miejscu zastosowania. Następnie analizowany będzie potencjał adaptacji opracowanych rozwiązań do innych obszarów wykorzystania wodoru – w tym motoryzacji, czy energetyki jądrowej, w których najważniejsze znaczenie mają wysokie ciśnienie i temperatura. Projekt przewiduje osiągnięcie poziomu gotowości technologicznej TRL 5 w trakcie jego trwania oraz opracowanie planu działań umożliwiających dalszy rozwój technologii do poziomu TRL 9 (komercjalizacja) w ciągu 5 lat od zakończenia prac.
- HANACOAT „Harnessing nanolaminate coatings for high temperature applications”, realizowany w konsorcjum z RWTH Aachen i German Aerospace Center (DLR) z Niemiec i Politechniką Śląską.
Projekt dotyczy opracowania nowoczesnych powłok ochronnych typu MAX, przeznaczonych do pracy w ekstremalnych warunkach wysokotemperaturowych, charakterystycznych dla współczesnych i przyszłych silników lotniczych. Materiały typu MAX stanowią unikalną klasę materiałów łączących adekwatności ceramiki (odporność na utlenianie, korozję i wysoką temperaturę) z cechami metali (odporność na zmęczenie i pełzanie), co czyni je szczególnie obiecującymi jako powłoki ochronne dla takich elementów jak łopatki turbin.
Celem projektu jest wytworzenie nanolaminatowych powłok typu MAX (na bazie układów Ti–Al–C/N oraz Cr–Al–C/N), z wykorzystaniem różnych technik fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) oraz zbadanie ich adekwatności w warunkach wysokiej temperatury. Głównym zadaniem jest zapewnienie odporności na utlenianie wysokotemperaturowe zarówno w powietrzu, jak i w atmosferze zawierającej parę wodną. Obecność pary wodnej jest szczególnie istotna w kontekście spalania wodoru, które stanowi jeden z głównych kierunków rozwoju niskoemisyjnych paliw lotniczych. Produktem spalania wodoru jest para wodna, która znacząco przyspiesza procesy degradacji materiałów konstrukcyjnych, zwłaszcza kompozytów ceramicznych. Opracowywane powłoki mają chronić materiały podłoża, takie jak stopy międzymetaliczne TiAl oraz kompozyty ceramiczne SiC-SiC, przed degradacją poprzez tworzenie stabilnej, ochronnej warstwy tlenku glinu (Al2O3).
W ramach badań analizowane będą mechanizmy degradacji powłok i materiałów w warunkach wysokiej temperatury oraz obecności pary wodnej, a także zjawiska dyfuzji na granicy powłoka-podłoże. Wyniki projektu przyczynią się do zwiększenia trwałości i niezawodności komponentów silników lotniczych, umożliwiając ich pracę w bardziej wymagających warunkach oraz wspierając rozwój technologii niskoemisyjnych opartych na wodorze.
Projekt jest finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w Polsce na podstawie umowy grantowej nr 2022/04/Y/ST5/00109 oraz przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) w ramach programu Weave-UNISONO.
- TBC4H2 pt. „Thermal Barrier Coatings for greener heat-to-power applications: understanding limits of operation under hydrogen combustion and sustainable outlook”, realizowany w ramach programu M-Era.NET przez międzynarodowe konsorcjum, tworzone przez: Łukasiewicz – GIT (lider konsorcjum), Politechnikę Śląską i partnera przemysłowego firmę Avio Aero (General Electric Aerospace) z Bielska-Białej, MINES Paris – Materials Research Center (MINES Paris-CDM; Francja), Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS (Niemcy) i German Aerospace Center (DLR; Niemcy).
Projekt koncentruje się na opracowaniu i zrozumieniu działania zaawansowanych powłokowych barier cieplnych (TBC – Thermal Barrier Coatings) przeznaczonych do ochrony elementów turbin silników lotniczych, pracujących w ekstremalnych warunkach powyżej 1200°C. Szczególny nacisk położono na środowisko spalania wodoru, które – choć eliminuje emisję CO2 – generuje dużą ilość pary wodnej, stanowiącej istotny czynnik degradujący materiały wysokotemperaturowe. Celem projektu jest zatem opracowanie systemów powłokowych zapewniających wysoką odporność na utlenianie i degradację w atmosferze powietrza oraz pary wodnej, charakterystycznej dla przyszłych technologii napędów wodorowych.
Badania obejmują wytwarzanie powłok TBC na monokrystalicznych nadstopach niklu stosowanych w łopatkach turbin lotniczych, z wykorzystaniem nowoczesnych technologii, takich jak zawiesinowe natryskiwanie plazmowe (SPS) oraz fizyczne osadzanie z fazy gazowej z użyciem wiązki elektronów (EB-PVD). Ważnymi elementami systemu są międzywarstwy dyfuzyjne i adhezyjne, które zapewniają trwałość i przyczepność powłok w warunkach długotrwałej eksploatacji. W projekcie rozwijane będą nowe rozwiązania materiałowe, w tym powłoki dyfuzyjne typu Pt-ɣ/ɣ’, jako alternatywa dla klasycznych powłok aluminidkowych modyfikowanych platyną oraz ceramiczne powłoki barierowe na bazie tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru (7YSZ) i cyrkonianu gadolinu (Gd2Zr2O7).
Projekt wpisuje się w rozwój technologii paliw wodorowych w lotnictwie, mających najważniejsze znaczenie dla redukcji emisji i osiągnięcia celów klimatycznych, założonych przez m.in. Europejski Zielony Ład. Podniesienie temperatury pracy turbin dzięki nowym powłokom pozwoli zwiększyć ich sprawność, zmniejszyć zużycie paliwa i poprawić efektywność energetyczną. Rezultatem projektu będzie demonstracja opracowanej technologii na rzeczywistych komponentach – łopatkach turbin – co przybliży jej wdrożenie przemysłowe i zastosowanie w nowej generacji silników lotniczych.
Projekt finansowany jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju NCBiR (M-ERA.NET3/2022/31/TBC4H2/2024), saksońskie Ministerstwo Nauki, Kultury i Turystyki (SMWK) (FKZ: 100688418) oraz francuską Narodową Agencję Badań (ANR) w ramach programu M-Era.NET 2022.
Unikatowe laboratoria wodorowe
Rozwój nowoczesnych materiałów wodorowych i przemysłowych wymaga inwestycji w specjalistyczną aparaturę badawczą, która jednocześnie wspiera bieżącą działalność naukową i wdrożeniową Łukasiewicz – GIT. W latach 2024-2025 w Łukasiewicz – GIT uruchomiono dwa nowoczesne laboratoria: badań odporności materiałów na pękanie naprężeniowe siarczkowe oraz wysokotemperaturowego utleniania w parze wodnej.
Laboratorium badań odporności materiałów na pękanie naprężeniowe siarczkowe (SSC)
Laboratorium SSC, wykorzystujące test Sulfide Stress Cracking metodą A, zgodnie z normą NACE TM0177 oraz PN-EN ISO 15156, jest w tej chwili jedynym działającym ośrodkiem tego typu w Polsce. Normy te określają wymagania dotyczące doboru materiałów odpornych na korozję w środowiskach zawierających siarkowodór – krytycznych m.in. w procesach wydobycia ropy i gazu, a także w instalacjach przesyłowych i magazynowych wodoru.
Łukasiewicz – GIT dysponuje 6 niezależnymi stanowiskami badawczymi SSC, co pozwala na równoległe prowadzenie testów dla różnych wariantów materiałowych. Pojedyncze stanowisko do badań przedstawiono na rys. 1. Podczas testu próbka jest osadzana w komorze wypełnionej odpowiednim roztworem korozyjnym i poddawana naprężeniom rozciągającym do wartości odniesionej procentowo do granicy plastyczności materiału. Według norm obciążenie powinno wynosić 75-100% granicy plastyczności. Każdy wariant testowy wymaga przeprowadzenia badań dla co najmniej trzech próbek. Pojedynczy test trwa 720 godz., a pozytywny wynik oznacza, iż w tym czasie próbki nie wykazały pęknięć. Więcej informacji przedstawiono w ramach pracy Opracowanie metodyki badań odporności wyrobów stalowych na niszczenie w warunkach korozji naprężeniowej w środowisku nawodorowującym na przykładzie materiału przeznaczonego dla transportu przesyłowego13. Tego typu badania są najważniejsze dla oceny trwałości materiałów w trudnych warunkach przemysłowych i umożliwiają wdrażanie bezpiecznych i trwałych rozwiązań stalowych w infrastrukturze wodorowej oraz innych aplikacjach przemysłowych.
Rys. 1. Pojedyncze stanowisko do badań SSC
Laboratorium wysokotemperaturowego utleniania w parze wodnej
Łukasiewicz – GIT otworzył nowoczesne laboratorium do badań utleniania materiałów w wysokich temperaturach, także w obecności pary wodnej. Umożliwi ono lepsze zrozumienie procesów wpływających na trwałość materiałów w energetyce i lotnictwie. Wodór, jako paliwo przyszłości, wciąż wymaga badań nad wpływem składu stopów, temperatury i obecności pary wodnej na utlenianie w wysokich temperaturach.
Laboratorium dysponuje dwoma piecami wysokotemperaturowymi firmy Carbolite Gero – do badań w suchym powietrzu oraz z możliwością wprowadzania pary wodnej, pozwalającymi testować materiały do 1600°C w krótkotrwałych eksperymentach i do 1500°C w badaniach długookresowych. Laboratorium wyposażono też w spektrometr FTIR firmy Bruker do analizy gazów wylotowych oraz mikroskopię elektronową do badania próbek w ramach Grupy Badawczej Badania adekwatności i Struktury Materiałów.
Badania wspierają rozwój materiałów stosowanych w lotnictwie i energetyce, wykorzystywanych m.in. w turbinach gazowych, ogniwach wodorowych i systemach pracujących w wysokich temperaturach i środowisku pary wodnej. Laboratorium Łukasiewicz – GIT odpowiada na potrzeby przemysłu związane z technologiami wodorowymi i wspiera bezpieczne wykorzystanie wodoru oraz rozwój innowacyjnych materiałów odpornych na ekstremalne warunki.
Rys. 2. Laboratorium wysokotemperaturowego utleniania w parze wodnej
Podsumowanie
Transformacja energetyczna, wynikająca z celów klimatycznych Unii Europejskiej, stymuluje rozwój OZE oraz technologii magazynowania energii, wśród których wodór odgrywa kluczową rolę jako nośnik energii wspierający proces dekarbonizacji.
Rozwój gospodarki wodorowej jest jednak znacznie ograniczony przez problemy materiałowe, w szczególności związane z oddziaływaniem wodoru na metale, degradującym ich adekwatności mechaniczne. Wymusza to konieczność prowadzenia zaawansowanych badań nad nowymi materiałami i powłokami ochronnymi, zdolnymi do pracy w wysokich ciśnieniu i temperaturze oraz w środowisku agresywnym chemicznie.
W tym kontekście działalność Łukasiewicz – GIT koncentruje się na rozwoju innowacyjnych rozwiązań materiałowych oraz infrastruktury badawczej, wspierających bezpieczne wdrażanie technologii wodorowych i realizację założeń transformacji energetycznej.
Przypisy
1. Rada Unii Europejskiej / Rada Europejska, EUCO 22/20, Conclusions of the European Council meeting (2020).
2. Komisja Europejska. (2020). A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe. Brussels.
3. Polska strategia wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040 r. Monitor Polski, 2021, poz. 1138.
4. M. Nagumo, Hydrogen related failure of steels – a new aspect. Materials Science and Technology 2004, 20(8), s. 940-950, DOI: 10.1179/026708304225019687.
5. R.P. Gangloff, B.P. Somerday (ed.), Gaseous Hydrogen Embrittlement of Materials in Energy Technologies. Woodhead Publishing, Cambridge 2012.
6. J.H. Perepezko, The Hotter the Engine, the Better. Science 2009, 326, s. 1068-1069, DOI: 10.1126/science.1179327.
7. A.H. Lefebvre, D.R. Ballal, Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions, CRC Press, Boca Raton 2010.
8. S. Bose, High Temperature Coatings, Elsevier, Boston 2007.
9. U. Schulz, Ch. Leyens, K. Fritscher, M. Peters, B. Saruhan-Brings, O. Lavigne, J.M. Dorvaux, M. Poulain, R. Mévrel, M. Caliez, Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings Aktuelle Forschungs- und Entwicklungstrends bei Wärmedämmschichten für die Gasturbine. Aerospace Science and Technology 2003, 7(1),s. 73-80, DOI 10.1016/S1270-9638(02)00003-2.
10. J.L. Smialek, Compiled furnace cyclic lives of EB-PVD thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology 2015, 276, s. 31-38, DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.06.018.
11. Y. Tamarin, Protective Coatings for Turbine Blades. ASM International, Materials Park 2002.
12. R.C. Reed, The Superalloys Fundamentals and Application. Cambridge University Press, Cambridge 2008, DOI: 10.1017/CBO9780511541285.
13. K. Radwański, J. Gazdowicz, W. Kubosz, Opracowanie metodyki badań odporności wyrobów stalowych na niszczenie w warunkach korozji naprężeniowej w środowisku nawodorowującym na przykładzie materiału przeznaczonego dla transportu przesyłowego, Materials Science and Welding Technologies 2025, 69(3), s. 18-22.
Autorzy: Dr hab. inż. Krzysztof Radwański, dr hab. inż. Radosław Swadźba, dr inż. Hanna Purzyńska, prof. dr hab. inż. Adam Zieliński, Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny
Źródło: Artykuł pochodzi z wydania 2/2026 magazynu ,,Nowa Energia”
