Metal 3D baskı, enerji sektörünün karbon ayak izini azaltmasına nasıl yardımcı olabilir?

1. Malzeme kullanımındaki değişim: "çıkarıcı üretim"den "talep üzerine-büyümeye" geçiş
Döküm, dövme ve makineyle işleme, metalle çalışmanın geleneksel yollarından bazılarıdır ancak genellikle malzemenin yalnızca %30'unu kullanırlar. Örneğin, geleneksel dövme işlemlerinin 3 metre genişliğindeki çelik külçeleri 1,5 metre genişliğinde iğlere dönüştürmesi gerekir. Bu işlem sırasında metalin yaklaşık %70'i hurdaya ayrılır.Metal 3D baskıkatmanları üst üste istifleyerek malzemenin %90'ından fazlasını kullanabilir. Platinum Technology, ticari havacılık ve uzay şirketleri için roket motoru itme odaları üretiyor. Geleneksel tekniklerde %15 olan malzeme kullanım oranı, 3D baskı sonrasında %92'ye çıktı. Her parçanın ağırlığı %60 oranında azaltıldı, bu da roket fırlatma aşamasında karbon emisyonlarının daha düşük olduğu anlamına geliyor.
3D baskının "dijital kalıp" unsuru, malzemeyi daha verimli kılan şeydir. Geleneksel imalatta kalıpların önceden yapılması gerekir, bu da tasarımların değiştirilmesini pahalı hale getirir. 3D baskıda dijital modeller üretimi doğrudan yönlendirir ve bu da topoloji optimizasyon tasarımının hızlı bir şekilde dahil edilmesini kolaylaştırır. Avrupalı ​​yarış takımları, ağırlığı %66, hacmi %65 ve yüzey ısı dağıtım alanını %40 azaltan motor silindir kapağını yapmak için SLM (Seçici Lazer Eritme) teknolojisini kullanıyor. Ayrıca orijinal gücünü korurken yakıt verimliliğini anında %12 artırır. Bu düzeydeki tasarım özgürlüğü, enerji ekipmanlarının geleneksel yapıların mekanik sınırlarının ötesine geçmesine olanak tanıyarak, "üretim için tasarım" yerine "işlevsellik için tasarım" yapılmasına olanak tanır.
2. Enerji üretiminin düşük-karbonla yeniden inşası: merkezi üretimden dağıtılmış üretime geçiş
Enerji ekipmanı üretmenin geleneksel yolu büyük ölçüde küresel tedarik zincirine dayanmaktadır. Hammaddelerin alınmasından sürecin sonunda bunların bir araya getirilmesine kadar olan lojistik bağlantı, tüm yaşam döngüsü karbon emisyonlarının %30'undan fazlasını oluşturuyor. Metal 3D baskının işleri yerel olarak yapabilme yeteneği bu sorunu çözüyor. Örneğin, tipik merkezi üretimde parçaların Çin'den dünyanın farklı bölgelerine gönderilmesi gerekiyor. Ancak 3D baskı teknolojisi sayesinde her kurulum noktası işleri anında gerçekleştirebilir. Bering 3D, Afrika'nın uzak yerleri için, hava şartlarına dayanıklı-çelik tozuyla sahada basılan bir güneş enerjisi braketi üretti. Bu, sınırların ötesine gönderilmesine veya depolanmasına gerek olmadığı anlamına gelir ve tek bir sistemin karbon ayak izini %45 oranında azaltır.
Dağıtılmış üretim için 3D baskının faydaları nükleer enerji işinde daha büyük. Geleneksel nükleer enerji buhar jeneratörlerini bir araya getirmek için on binlerce boru bağlantı parçasının nükleer enerji santrali sahasına taşınması gerekiyor. Bununla birlikte, Platinum Technology'nin BLT-S1500 çoklu-lazer ekipmanı aynı şeyi 1,5 tonluk tek bir ağırlıkla yapabilir, bu da kıtalar arası ile fabrika alanı arasındaki mesafeyi- kısaltır. Bu "imalat ve kurulum" metodolojisi, belirli bir CGN nükleer enerji santralinin kurulumu için gereken süreyi %70, sahada ihtiyaç duyulan kaynak miktarını %90 ve inşaat sırasındaki karbon emisyonlarını 23.000 ton azalttı.
3. Temiz enerji ekipmanlarının performans artışı: yapıların optimize edilmesinden fonksiyonların entegre edilmesine kadar
Enerji ekipmanlarının gelişimi, metal 3D baskı sayesinde "yüksek performanslı, düşük enerji tüketimine" doğru ilerliyor. Rüzgar enerjisi alanında, 3D baskı, geleneksel döküm yöntemlerinin bıçak kesme ağ mimarileriyle ilgili sorunlarının üstesinden gelmiştir. Yapışkan jet bağlama (BJT) teknolojisini kullanan Vestas'ın 100 metre seviyeli rüzgar türbini kanat kök konnektörleri, yapının bir araya getirilmesini kolaylaştırıyor. Tek bir parçayı oluşturmak için 127 parça gerekiyordu. Bu, bıçakların başlangıç ​​torkunu %18 oranında azaltırken yorulmalarını da önler. Ayrıca her yıl üretilen elektrik miktarını da %3,2 oranında artırıyor.
3D baskının birkaç parçayı tek parça halinde birleştirme yeteneği, hidrojen- ile çalışan ekipmanların yapımında da kullanışlıdır. Toyota Mirai yakıt hücresi kümesinin iki kutuplu plakası için 200'den fazla bağımsız akış kanalı kalıbı yapmak için geleneksel damgalama işlemine ihtiyaç vardır. Bununla birlikte, 3D baskı, serpantin akış kanalları, sıcaklık sensörleri için delikler ve hidrojen difüzyonu için delikler içeren entegre bir çift kutuplu plakayı doğrudan yapabilir. Bu, yığının güç yoğunluğunu %25 ve hidrojen kullanım oranını %15 artırır. Bu işlevsel entegrasyon yalnızca daha az malzeme kullanmakla kalmaz, aynı zamanda enerjinin izlediği yolları optimize ederek sistemin çalışması için kullandığı enerji miktarını da azaltır.
4. Karbon Yakalama ve Kullanma: Fikirden Mühendislik Uygulamasına
3D baskı, geleneksel yöntemlerin karmaşık iç yapılar oluşturmasını imkansız hale getiren karbon yakalamadaki teknik sorunu çözüyor. Doğrudan Hava Yakalama (DAC) sistemi için on binlerce mikron-boyutlu deliğe sahip filtrelere ihtiyaç vardır ve tipik işleme yöntemleri, yapılan işin yalnızca %30'undan azını sağlar. Ancak 3D baskı, gözenek boyutu hatalarını ± 5 μm dahilinde tutabilir. 3D Systems'in AirCapture için yaptığı karbon yakalama reaktörü, topoloji optimizasyonu nedeniyle üç kat daha fazla ısı değişim alanına sahiptir. Bu da birim hacim başına %40 daha fazla karbon toplayabildiği anlamına geliyor. Aynı zamanda ekipmanın ağırlığı da 12 tondan 3,8 tona düştü. Bu, nakliye ve kurulum sırasında karbon emisyonlarının çok daha düşük olduğu anlamına gelir.
3D baskının karbon kullanım teknolojilerini daha yaygın hale getirmesi daha da ilginç. Norveç Karbon Temizliği, CO₂'yi metanole dönüştürme işlemini %85 daha fazla enerji-verimli hale getirmek için 3D baskıyla yapılmış modüler bir karbon dönüşüm reaktörü kullanıyor; bu, mevcut yöntemlere göre yüzde 22 puan daha verimli. Reaktör içindeki türbülans yapılarının 3D baskı ile tam olarak yönetilmesi, verimlilikteki bu artışı mümkün kılan şeydir. Gaz ve sıvının temas ettiği alanı %60, reaksiyon hızını ise 3 kat arttırır.
5. Endüstriyel ekolojinin yeşil dönüşümü: Doğrusal ekonomiden döngüsel ekonomiye geçiş
Metal 3D baskının kapalı-döngü özellikleri enerji endüstrisi zincirini değiştiriyor. Platinum Technology'nin toz sirkülasyon yöntemi, baskı sırasında metal sıçramalarının iyileşme oranını %99,2'ye çıkarabilir. Argon gazı geri kazanım ekipmanıyla birlikte kullanıldığında, yalnızca bir ünite için karbon emisyonlarını yılda 187 ton azaltabiliyor. Chuangcai Gelişmiş Çalışması, yenilenmiş titanyum alaşımı tozu oluşturmak için yapay zeka algoritmalarını kullandı. Bu toz, orijinal tozun %98'ine kadar mekanik niteliklere sahiptir ve yapımı %40 daha az maliyetlidir. State Power Investment Corporation bunu enerji depolama pillerinin kabuklarını yapmak için kullandı.
Bu döngüsel ekonomi yaklaşımı diğer alanlara da yayılıyor. Siemens Enerji, yeşil hidrojen üretmek için Suudi Arabistan'ın NEOM New City'sinde bir tesis inşa ediyor. 3D baskı makinelerinin tümü modülerdir; bu, artık ihtiyaç duyulmadığında standart parçalara ayrılıp yeni makinelere basılabileceği anlamına gelir. Bu, makinenin tüm yaşam döngüsü boyunca kaynakların %95'inin kullanıldığı anlamına gelir. Bu kapalı "imalat kullanımı yenilenmesi" döngüsü, enerji ekipmanlarının "sarf malzemelerinden" "dayanıklı mallara" dönüştüğünü gösteriyor.