In 3D kim loại có thể giúp ngành năng lượng giảm lượng khí thải carbon như thế nào?

1. Sự thay đổi trong việc sử dụng nguyên vật liệu: từ "sản xuất trừ" sang "tăng trưởng theo{1}}nhu cầu"
Đúc, rèn và gia công là một số cách truyền thống để gia công kim loại, tuy nhiên chúng thường chỉ sử dụng 30% vật liệu. Ví dụ, hoạt động rèn truyền thống cần biến các phôi thép có chiều rộng 3 mét thành các cọc rộng 1,5 mét. Khoảng 70% kim loại được cắt thành phế liệu trong quá trình này.In 3D kim loạicó thể sử dụng hơn 90% vật liệu bằng cách xếp chồng các lớp lên nhau. Platinum Technology sản xuất buồng đẩy động cơ tên lửa cho các công ty hàng không vũ trụ thương mại. Tỷ lệ sử dụng vật liệu đã tăng từ 15% trong kỹ thuật truyền thống lên 92% sau in 3D. Trọng lượng của từng bộ phận đã được cắt giảm 60%, đồng nghĩa với việc lượng khí thải carbon trong giai đoạn phóng tên lửa sẽ thấp hơn.
Yếu tố "khuôn kỹ thuật số" của in 3D là yếu tố giúp vật liệu hoạt động hiệu quả hơn. Trong sản xuất truyền thống, khuôn mẫu phải được chế tạo trước, điều này khiến việc sửa đổi thiết kế trở nên tốn kém. Trong in 3D, các mô hình kỹ thuật số trực tiếp thúc đẩy quá trình sản xuất, giúp dễ dàng kết hợp nhanh chóng thiết kế tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Các đội đua châu Âu sử dụng công nghệ SLM (Selective Laser Melting) để chế tạo đầu xi-lanh động cơ, giúp giảm 66% trọng lượng, giảm thể tích 65% và diện tích tản nhiệt bề mặt giảm 40%. Nó cũng ngay lập tức cải thiện hiệu suất nhiên liệu thêm 12% trong khi vẫn giữ được sức mạnh ban đầu. Mức độ tự do thiết kế này cho phép thiết bị năng lượng vượt ra ngoài ranh giới cơ học của các cấu trúc truyền thống, cho phép "thiết kế cho chức năng" thay vì "thiết kế cho sản xuất".
2. Tái tạo-cacbon thấp của khâu sản xuất năng lượng: chuyển từ sản xuất tập trung sang sản xuất phân tán
Cách sản xuất thiết bị năng lượng truyền thống phụ thuộc rất nhiều vào chuỗi cung ứng toàn cầu. Kết nối hậu cần từ việc lấy nguyên liệu thô đến tập hợp chúng lại với nhau khi kết thúc quy trình chiếm hơn 30% tổng lượng khí thải carbon trong toàn bộ vòng đời. Khả năng sản xuất mọi thứ cục bộ của in 3D kim loại đang giải quyết vấn đề này. Ví dụ, với nền sản xuất tập trung điển hình, các bộ phận phải được vận chuyển từ Trung Quốc đến các khu vực khác nhau trên thế giới. Tuy nhiên, với công nghệ in 3D, mỗi điểm lắp đặt đều có thể thực hiện mọi việc ngay lập tức. Bering 3D đã sản xuất giá đỡ năng lượng mặt trời cho những nơi xa xôi ở Châu Phi được in tại chỗ bằng bột thép-chịu được thời tiết. Điều này có nghĩa là nó không cần phải vận chuyển qua biên giới hoặc lưu trữ và nó giúp cắt giảm 45% lượng khí thải carbon của một hệ thống.
Lợi ích của in 3D đối với sản xuất phân tán còn lớn hơn trong ngành kinh doanh năng lượng hạt nhân. Để lắp ráp các máy phát điện hơi nước điện hạt nhân truyền thống, hàng chục nghìn phụ kiện đường ống phải được di chuyển đến địa điểm nhà máy điện hạt nhân. Tuy nhiên, thiết bị laser đa năng BLT-S1500-của Platinum Technology có thể làm được điều tương tự với một trọng lượng duy nhất là 1,5 tấn, giúp rút ngắn khoảng cách từ xuyên-lục địa đến trong khu vực nhà máy. Phương pháp "sản xuất và lắp đặt" này đã cắt giảm 70% thời gian cần thiết để lắp đặt một nhà máy điện hạt nhân CGN nhất định, cắt giảm 90% lượng hàn cần thiết tại chỗ và cắt giảm 23.000 tấn lượng khí thải carbon trong quá trình xây dựng.
3. Bước nhảy vọt về hiệu suất của thiết bị năng lượng sạch: từ tối ưu hóa cấu trúc đến tích hợp chức năng
Sự phát triển của thiết bị năng lượng đang hướng tới “tiêu thụ năng lượng thấp hiệu suất cao” nhờ in 3D kim loại. Trong lĩnh vực năng lượng gió, in 3D đã giải quyết được các vấn đề mà các phương pháp đúc truyền thống gặp phải với kiến ​​trúc mạng lưới cắt dạng cánh. Sử dụng công nghệ liên kết phản lực dính (BJT), các đầu nối gốc cánh tuabin gió ở độ cao 100 mét của Vestas giúp việc lắp đặt công trình dễ dàng hơn. Trước đây phải mất tới 127 thành phần để tạo nên một sản phẩm duy nhất. Điều này làm giảm 18% mô-men xoắn ban đầu của lưỡi dao trong khi vẫn giữ cho chúng không bị mỏi. Nó cũng làm tăng lượng điện năng được tạo ra mỗi năm thêm 3,2%.
Khả năng kết hợp nhiều bộ phận thành một bộ phận của công nghệ in 3D cũng rất hữu ích trong việc chế tạo thiết bị-chạy bằng hydro. Cần phải có quy trình dập truyền thống để tạo ra hơn 200 khuôn kênh dòng chảy độc lập cho tấm lưỡng cực của ngăn xếp pin nhiên liệu Toyota Mirai. Tuy nhiên, in 3D có thể trực tiếp tạo ra một tấm lưỡng cực tích hợp với các kênh dòng chảy ngoằn ngoèo, các lỗ dành cho cảm biến nhiệt độ và các lỗ để khuếch tán hydro. Điều này làm tăng mật độ năng lượng của ngăn xếp lên 25% và tỷ lệ sử dụng hydro lên 15%. Việc tích hợp chức năng này không chỉ sử dụng ít vật liệu hơn mà còn giảm lượng năng lượng mà hệ thống sử dụng để chạy bằng cách tối ưu hóa đường đi của năng lượng.
4. Thu hồi và sử dụng carbon: Từ ý tưởng đến thực hành kỹ thuật
In 3D đang khắc phục vấn đề kỹ thuật trong việc thu hồi carbon khiến các phương pháp truyền thống không thể tạo ra các cấu trúc nội thất phức tạp. Cần có các bộ lọc có lỗ kích thước hàng chục nghìn micron{2}}cho hệ thống Thu khí trực tiếp (DAC) và các phương pháp xử lý thông thường chỉ hoàn thành chưa đến 30% công việc. Nhưng in 3D có thể giữ sai số kích thước lỗ chân lông trong phạm vi ± 5 μm. Lò phản ứng thu hồi carbon mà 3D Systems chế tạo cho AirCapture có diện tích trao đổi nhiệt gấp ba lần nhờ tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Điều này có nghĩa là nó có thể thu thập thêm 40% carbon trên một đơn vị thể tích. Đồng thời, trọng lượng của thiết bị đã giảm từ 12 tấn xuống còn 3,8 tấn. Điều này có nghĩa là lượng khí thải carbon thấp hơn nhiều trong quá trình vận chuyển và lắp đặt.
Điều thú vị hơn nữa là in 3D đang làm cho các công nghệ sử dụng carbon trở nên phổ biến rộng rãi hơn. Na Uy Carbon Clean sử dụng lò phản ứng chuyển đổi carbon mô-đun được chế tạo bằng in 3D để giúp quá trình biến CO ₂ thành metanol tiết kiệm năng lượng hơn 85%-, hiệu quả hơn 22 điểm phần trăm so với các phương pháp hiện có. Việc quản lý chính xác các cấu trúc nhiễu loạn bên trong lò phản ứng bằng cách in 3D là điều giúp cho việc tăng hiệu suất này trở nên khả thi. Nó làm tăng diện tích tiếp xúc của khí và chất lỏng lên 60% và tốc độ phản ứng lên gấp ba lần.
5. Chuyển đổi xanh của sinh thái công nghiệp: chuyển từ nền kinh tế tuyến tính sang nền kinh tế tuần hoàn
Các tính năng-vòng khép kín của in 3D kim loại đang thay đổi chuỗi công nghiệp năng lượng. Phương pháp tuần hoàn bột của Platinum Technology có thể nâng tỷ lệ thu hồi các vết bắn kim loại trong quá trình in lên 99,2%. Khi sử dụng với thiết bị thu hồi khí argon, nó có thể cắt giảm lượng khí thải carbon tới 187 tấn mỗi năm chỉ với một thiết bị. Nghiên cứu nâng cao Chuangcai đã sử dụng thuật toán AI để tạo ra bột hợp kim titan tái sinh. Loại bột này có chất lượng cơ học bằng tới 98% so với bột ban đầu và chi phí sản xuất thấp hơn 40%. Tổng công ty Đầu tư Điện lực Nhà nước đã sử dụng nó để chế tạo vỏ pin lưu trữ năng lượng.
Cách tiếp cận kinh tế tuần hoàn này đang lan rộng sang các khu vực khác. Siemens Energy đang xây dựng một nhà máy ở Thành phố Mới NEOM của Ả Rập Saudi để sản xuất hydro xanh. Tất cả các máy in 3D của công ty đều có dạng mô-đun, nghĩa là chúng có thể được tháo rời thành các bộ phận tiêu chuẩn và in vào máy mới sau khi không còn cần thiết nữa. Điều này có nghĩa là 95% tài nguyên được sử dụng trong toàn bộ vòng đời của máy. Vòng khép kín “tái tạo sử dụng sản xuất” này cho thấy thiết bị năng lượng đang chuyển đổi từ “vật tư tiêu hao” sang “hàng hóa lâu bền”.