Kako lahko kovinski 3D-tiskanje energetski industriji pomaga zmanjšati ogljični odtis?

1. Premik v uporabi materiala: od »subtraktivne proizvodnje« do »rast-na zahtevo«
Ulivanje, kovanje in strojna obdelava so nekateri tradicionalni načini dela s kovino, vendar običajno uporabijo le 30 % materiala. Tradicionalni postopki kovanja morajo na primer spremeniti jeklene ingote, široke 3 metre, v vretena, široka 1,5 metra. Med tem postopkom se približno 70 % kovine seseklja v odpadke.Kovinski 3D tisklahko uporabi več kot 90 % materiala z nalaganjem plasti eno na drugo. Platinum Technology izdeluje potisne komore za raketne motorje za komercialna vesoljska podjetja. Stopnja porabe materiala se je povečala s 15 % v tradicionalnih tehnikah na 92 ​​% po 3D tiskanju. Teža vsakega dela je bila zmanjšana za 60 %, kar pomeni, da so emisije ogljika med fazo izstrelitve rakete nižje.
Element "digitalnega kalupa" 3D tiskanja je tisto, zaradi česar je material bolj učinkovit. V tradicionalni proizvodnji je treba kalupe izdelati vnaprej, zaradi česar je spreminjanje dizajna drago. Pri 3D-tiskanju digitalni modeli neposredno poganjajo proizvodnjo, kar olajša hitro vključitev načrta optimizacije topologije. Evropske dirkalne ekipe uporabljajo tehnologijo SLM (Selective Laser Melting) za izdelavo glave valja motorja, ki zmanjša težo za 66 %, prostornino za 65 % in površinsko odvajanje toplote za 40 %. Prav tako takoj izboljša učinkovitost porabe goriva za 12 %, hkrati pa ohrani prvotno moč. Ta raven svobode oblikovanja omogoča, da energetska oprema preseže mehanske meje tradicionalnih struktur, kar omogoča "načrtovanje za funkcionalnost" namesto "načrtovanje za proizvodnjo".
2. Nizko{1}}ogljična obnova proizvodnje energije: prehod s centralizirane na porazdeljeno proizvodnjo
Tradicionalni način izdelave energetske opreme je močno odvisen od svetovne dobavne verige. Logistična povezava od pridobivanja surovin do njihovega sestavljanja ob zaključku procesa predstavlja več kot 30 % emisij ogljika v celotnem življenjskem ciklu. Zmožnost kovinskega 3D-tiskanja, da izdeluje stvari lokalno, rešuje ta problem. Na primer, pri tipični centralizirani proizvodnji je treba dele pošiljati s Kitajske v različne regije sveta. S tehnologijo 3D tiskanja pa lahko vsaka namestitvena točka naredi stvari takoj. Bering 3D je izdelal solarni nosilec za oddaljene kraje v Afriki, ki je na kraju samem natisnjen z vremensko-odpornim jeklenim prahom. To pomeni, da ga ni treba pošiljati čez mejo ali skladiščiti, in zmanjša ogljični odtis posameznega sistema za 45 %.
Prednosti 3D-tiskanja za porazdeljeno proizvodnjo so večje v poslovanju z jedrsko energijo. Da bi sestavili tradicionalne jedrske generatorje pare, je treba na lokacijo jedrske elektrarne prenesti na desettisoče cevnih nastavkov. Vendar lahko multi-laserska oprema BLT-S1500 Platinum Technology naredi isto z eno samo težo 1,5 tone, kar skrajša razdaljo od čez-kontinentalnega do območja tovarne. Ta metodologija "proizvodnje in namestitve" je skrajšala čas, ki je potreben za namestitev dane jedrske elektrarne CGN, za 70 %, zmanjšala je količino varjenja, potrebnega na lokaciji, za 90 % in zmanjšala emisije ogljika med gradnjo za 23.000 ton.
3. Skok zmogljivosti opreme za čisto energijo: od optimizacije struktur do integracije funkcij
Razvoj energetske opreme se premika v smeri "visoko zmogljive nizke porabe energije" zahvaljujoč kovinskemu 3D tiskanju. Na področju vetrne energije je 3D-tiskanje zaobšlo težave, ki jih imajo tradicionalne metode litja z omrežnimi arhitekturami rezil. Z uporabo tehnologije adhezivnega lepljenja (BJT) Vestasovi 100-metrski konektorji lopatic vetrne turbine olajšajo sestavljanje konstrukcije. Za izdelavo enega kosa je bilo potrebnih 127 komponent. To zmanjša začetni navor rezil za 18 %, hkrati pa prepreči njihovo utrujenost. Prav tako vsako leto poveča količino proizvedene energije za 3,2 %.
Zmožnost 3D-tiskanja, da združi več delov v en kos, je uporabna tudi za izdelavo opreme-na vodikov pogon. Tradicionalni postopek žigosanja je potreben za izdelavo več kot 200 neodvisnih kalupov pretočnih kanalov za bipolarno ploščo sklopa gorivnih celic Toyota Mirai. Vendar pa lahko 3D-tiskanje neposredno naredi integrirano bipolarno ploščo s serpentinastimi pretočnimi kanali, luknjami za temperaturne senzorje in luknjami za difuzijo vodika. To poveča gostoto moči sklada za 25 % in stopnjo izkoriščenosti vodika za 15 %. Ta funkcionalna integracija ne le porabi manj materiala, ampak tudi zmanjša količino energije, ki jo sistem porabi za delovanje, tako da optimizira poti, po katerih gre energija.
4. Zajem in uporaba ogljika: od ideje do inženirske prakse
3D-tiskanje odpravlja tehnično težavo pri zajemanju ogljika, zaradi katere tradicionalne metode ne morejo izdelati zapletenih notranjih struktur. Za sistem neposrednega zajemanja zraka (DAC) so potrebni filtri z več deset tisoč mikronskih -velikih lukenj, običajne metode obdelave pa opravijo le manj kot 30 % dela. Toda 3D-tiskanje lahko ohrani napake velikosti por do ± 5 μm. Reaktor za zajemanje ogljika, ki ga je podjetje 3D Systems izdelalo za AirCapture, ima zaradi optimizacije topologije trikrat večjo površino za izmenjavo toplote. To pomeni, da lahko zbere 40 % več ogljika na enoto prostornine. Hkrati se je teža opreme z 12 ton znižala na 3,8 tone. To pomeni, da so emisije ogljika med pošiljanjem in namestitvijo veliko nižje.
Še bolj zanimivo je, da 3D tiskanje omogoča širšo dostopnost tehnologij za izkoriščanje ogljika. Norwegian Carbon Clean uporablja modularni reaktor za pretvorbo ogljika, izdelan s 3D-tiskanjem, da naredi postopek pretvarjanja CO ₂ v metanol za 85 % bolj energetsko-učinkovit, kar je 22 odstotnih točk učinkovitejše od obstoječih metod. Natančno upravljanje turbulenčnih struktur znotraj reaktorja s 3D-tiskanjem je tisto, zaradi česar je to povečanje učinkovitosti možno. Poveča površino stika plina in tekočine za 60 % in hitrost reakcije za trikrat.
5. Zelena transformacija industrijske ekologije: prehod iz linearnega gospodarstva v krožno
Lastnosti zaprte-zanke kovinskega 3D-tiskanja spreminjajo energetsko industrijsko verigo. Metoda kroženja prahu Platinum Technology lahko dvigne stopnjo predelave kovinskih brizganj med tiskanjem na 99,2 %. Če se uporablja z opremo za rekuperacijo plina argona, lahko zmanjša emisije ogljika za 187 ton na leto za samo eno enoto. Chuangcai Advanced Study je uporabil algoritme AI za ustvarjanje prahu regenerirane titanove zlitine. Ta prašek ima do 98 % mehanske lastnosti originalnega prahu, njegova izdelava pa stane 40 % manj. State Power Investment Corporation ga je uporabila za izdelavo ohišij baterij za shranjevanje energije.
Ta pristop krožnega gospodarstva se širi tudi na druga področja. Siemens Energy gradi tovarno v NEOM New City v Savdski Arabiji za proizvodnjo zelenega vodika. Vsi njegovi stroji za 3D-tiskanje so modularni, kar pomeni, da jih je mogoče razstaviti na standardne dele in natisniti v nove stroje, ko jih ne potrebujete več. To pomeni, da se 95 % virov porabi v celotnem življenjskem ciklu stroja. Ta zaprta zanka "regeneracije proizvodne uporabe" kaže, da se energetska oprema spreminja iz "potrošnega blaga" v "trajno blago".