Ako môže kovová 3D tlač pomôcť energetickému priemyslu znížiť jeho uhlíkovú stopu?

1. Posun vo využívaní materiálov: od „subtraktívnej výroby“ k „rastu na-požiadavku“
Odlievanie, kovanie a obrábanie sú niektoré z tradičných spôsobov práce s kovom, avšak zvyčajne využívajú iba 30 % materiálu. Napríklad tradičné kovacie operácie potrebujú premeniť oceľové ingoty široké 3 metre na vretená so šírkou 1,5 metra. Približne 70 % kovu sa počas tohto procesu naseká na šrot.Kovová 3D tlačmôže využiť viac ako 90 % materiálu skladaním vrstiev na seba. Platinum Technology vyrába náporové komory raketových motorov pre komerčné letecké spoločnosti. Miera využitia materiálu vzrástla z 15 % v tradičných technikách na 92 ​​% po 3D tlači. Hmotnosť každej časti bola znížená o 60 %, čo znamená, že emisie uhlíka počas fázy štartu rakety sú nižšie.
Prvok „digitálnej formy“ 3D tlače je to, čo robí materiál efektívnejším. Pri tradičnej výrobe sa formy musia vyrábať v predstihu, čo sťažuje úpravu dizajnu. Pri 3D tlači digitálne modely riadia výrobu priamo, čo uľahčuje rýchle začlenenie návrhu optimalizácie topológie. Európske pretekárske tímy používajú technológiu SLM (Selective Laser Melting) na výrobu hlavy valcov motora, ktorá znižuje hmotnosť o 66 %, objem o 65 % a plochu pre povrchový odvod tepla o 40 %. Okamžite tiež zlepšuje palivovú účinnosť o 12 % pri zachovaní pôvodnej sily. Táto úroveň slobody dizajnu umožňuje energetickým zariadeniam ísť za mechanické hranice tradičných štruktúr, čo umožňuje „dizajn pre funkčnosť“ namiesto „dizajn pre výrobu“.
2. Nízkouhlíková prestavba výroby energie: prechod z centralizovanej na distribuovanú výrobu
Tradičný spôsob výroby energetických zariadení do veľkej miery závisí od globálneho dodávateľského reťazca. Logistické spojenie od získania surovín až po ich zostavenie na konci procesu predstavuje viac ako 30 % emisií uhlíka počas celého životného cyklu. Schopnosť kovovej 3D tlače vyrábať veci lokálne rieši tento problém. Napríklad pri typickej centralizovanej výrobe sa diely musia dodávať z Číny do rôznych oblastí sveta. S technológiou 3D tlače však môže každý inštalačný bod robiť veci hneď. Spoločnosť Bering 3D vyrobila solárny držiak pre odľahlé miesta v Afrike, ktorý je na mieste vytlačený oceľovým práškom- odolným voči poveternostným vplyvom. To znamená, že sa nemusí prepravovať cez hranice ani skladovať a znižuje uhlíkovú stopu jedného systému o 45 %.
Výhody 3D tlače pre distribuovanú výrobu sú väčšie v odvetví jadrovej energetiky. Na zostavenie tradičných jadrových generátorov pary je potrebné presunúť do areálu jadrovej elektrárne desaťtisíce potrubných armatúr. Multi-laserové zariadenie BLT-S1500 od spoločnosti Platinum Technology však dokáže to isté s jediným závažím 1,5 tony, čo skracuje vzdialenosť z-kontinentálnej oblasti do oblasti závodu. Táto metodika „výroby a inštalácie“ skrátila čas potrebný na inštaláciu danej jadrovej elektrárne CGN o 70 %, množstvo potrebného zvárania na mieste o 90 % a emisie uhlíka počas výstavby o 23 000 ton.
3. Výkonnostný skok zariadení na čistú energiu: od optimalizácie štruktúr k integrácii funkcií
Vývoj energetických zariadení smeruje k „vysokovýkonnej nízkej spotrebe energie“ vďaka kovovej 3D tlači. V oblasti veternej energie sa 3D tlačou podarilo obísť problémy, ktoré majú tradičné metódy odlievania s architektúrou nožových šmykových sietí. Pomocou technológie lepenia pomocou jetového spájania (BJT) uľahčujú konektory koreňov lopatiek veternej turbíny Vestas na úrovni 100 metrov konštrukciu. Na výrobu jedného kusu bolo potrebných 127 komponentov. Tým sa zníži počiatočný krútiaci moment nožov o 18 % a zároveň sa neunavia. Zvyšuje tiež množstvo vyrobenej energie každý rok o 3,2 %.
Schopnosť 3D tlače spojiť niekoľko častí do jedného kusa je užitočná aj pri výrobe zariadení na vodíkový-pohon. Tradičný proces lisovania je potrebný na výrobu viac ako 200 nezávislých foriem s prietokovým kanálom pre bipolárnu platňu sady palivových článkov Toyota Mirai. 3D tlač však môže priamo vytvoriť integrovanú bipolárnu dosku s hadovitými prietokovými kanálmi, otvormi pre teplotné senzory a otvormi na difúziu vodíka. Tým sa zvýši hustota výkonu zásobníka o 25 % a miera využitia vodíka o 15 %. Táto funkčná integrácia nielenže využíva menej materiálu, ale tiež znižuje množstvo energie, ktorú systém využíva na chod, optimalizáciou ciest, ktorými sa energia uberá.
4. Zachytávanie a používanie uhlíka: Od nápadu po inžiniersku prax
3D tlač rieši technický problém pri zachytávaní uhlíka, ktorý tradičným metódam znemožňuje vytvárať komplikované interiérové ​​štruktúry. Systém priameho zachytávania vzduchu (DAC) vyžaduje filtre s desiatkami tisíc mikrónových otvorov- a typické metódy spracovania dokážu vykonať len menej ako 30 % práce. Ale 3D tlač dokáže udržať chyby veľkosti pórov v rozmedzí ± 5 μm. Reaktor na zachytávanie uhlíka, ktorý spoločnosť 3D Systems vyrobila pre AirCapture, má vďaka optimalizácii topológie trojnásobnú plochu výmeny tepla. To znamená, že dokáže zhromaždiť o 40 % viac uhlíka na jednotku objemu. Zároveň sa znížila hmotnosť zariadenia z 12 ton na 3,8 tony. To znamená, že emisie uhlíka sú oveľa nižšie počas prepravy a inštalácie.
Je ešte zaujímavejšie, že 3D tlač sprístupňuje technológie na využitie uhlíka. Norwegian Carbon Clean využíva modulárny reaktor na konverziu uhlíka vyrobený pomocou 3D tlače, aby bol proces premeny CO ₂ na metanol o 85 % energeticky-účinnejší, čo je o 22 percentuálnych bodov efektívnejšie ako existujúce metódy. Presné riadenie štruktúr turbulencie vo vnútri reaktora pomocou 3D tlače umožňuje toto zvýšenie účinnosti. Zvyšuje plochu kontaktu plynu a kvapaliny o 60 % a rýchlosť reakcie trojnásobne.
5. Zelená transformácia priemyselnej ekológie: prechod od lineárnej ekonomiky k obehovej
Funkcie uzavretého cyklu kovovej 3D tlače-menia energetický priemyselný reťazec. Metóda cirkulácie prášku od Platinum Technology môže zvýšiť mieru obnovy rozstrekovania kovu počas tlače na 99,2 %. Pri použití so zariadením na rekuperáciu argónového plynu dokáže znížiť emisie uhlíka o 187 ton ročne len pri jednej jednotke. Pokročilá štúdia Chuangcai použila algoritmy AI na vytvorenie prášku z regenerovanej titánovej zliatiny. Tento prášok má mechanické vlastnosti, ktoré sú až 98 % pôvodného prášku a jeho výroba stojí o 40 % menej. State Power Investment Corporation ho použila na výrobu obalov batérií na ukladanie energie.
Tento prístup obehového hospodárstva sa rozširuje do ďalších oblastí. Siemens Energy stavia závod v NEOM New City v Saudskej Arábii na výrobu zeleného vodíka. Všetky jeho 3D tlačové stroje sú modulárne, čo znamená, že ich možno rozobrať na štandardné diely a vytlačiť na nové stroje, keď už nie sú potrebné. To znamená, že 95 % zdrojov sa spotrebuje počas celého životného cyklu stroja. Táto uzavretá slučka „regenerácie výrobného využitia“ ukazuje, že energetické zariadenia sa menia zo „spotrebného materiálu“ na „tovar dlhodobej spotreby“.