Como a impressão 3D de metal pode ajudar a indústria de energia a reduzir sua pegada de carbono?

1. A mudança no uso de materiais: da “fabricação subtrativa” para o “crescimento sob-demanda”
Fundição, forjamento e usinagem são algumas das formas tradicionais de trabalhar o metal, porém normalmente utilizam apenas 30% do material. Por exemplo, as operações tradicionais de forjamento precisam transformar lingotes de aço com 3 metros de largura em fusos com 1,5 metros de largura. Cerca de 70% do metal é cortado em sucata durante esse processo.Impressão 3D metálicapode usar mais de 90% do material empilhando camadas umas sobre as outras. A Platinum Technology fabrica câmaras de empuxo para motores de foguetes para empresas aeroespaciais comerciais. A taxa de utilização de materiais aumentou de 15% nas técnicas tradicionais para 92% após a impressão 3D. O peso de cada peça foi reduzido em 60%, o que significa que as emissões de carbono durante a fase de lançamento do foguete são menores.
O elemento “molde digital” da impressão 3D é o que torna o material mais eficiente. Na fabricação tradicional, os moldes precisam ser feitos com antecedência, o que torna cara a modificação dos projetos. Na impressão 3D, os modelos digitais impulsionam a produção diretamente, o que facilita a incorporação rápida do projeto de otimização de topologia. As equipes de corrida europeias usam a tecnologia SLM (Selective Laser Melting) para fabricar a cabeça do cilindro do motor, o que reduz o peso em 66%, o volume em 65% e a área de dissipação de calor da superfície em 40%. Também melhora imediatamente a eficiência do combustível em 12%, mantendo a sua resistência original. Este nível de liberdade de design permite que os equipamentos de energia ultrapassem os limites mecânicos das estruturas tradicionais, permitindo “projeto para funcionalidade” em vez de “projeto para fabricação”.
2. Reconstrução com baixo-carbono da produção de energia: mudança da produção centralizada para a produção distribuída
A forma tradicional de fabricar equipamentos energéticos depende fortemente da cadeia de abastecimento global. A ligação logística, desde a obtenção das matérias-primas até à sua montagem na conclusão do processo, é responsável por mais de 30% de todo o ciclo de vida das emissões de carbono. A capacidade da impressão 3D de metal de fabricar coisas localmente está resolvendo esse problema. Por exemplo, com a produção centralizada típica, as peças têm de ser enviadas da China para diferentes regiões do mundo. Com a tecnologia de impressão 3D, porém, cada ponto de instalação pode fazer as coisas imediatamente. A Bering 3D produziu um suporte solar para locais remotos da África que é impresso no local com pó de aço-resistente às intempéries. Isto significa que não precisa ser enviado através das fronteiras ou armazenado e reduz a pegada de carbono de um único sistema em 45%.
Os benefícios da impressão 3D para a produção distribuída são maiores no negócio da energia nuclear. Para montar geradores de vapor de energia nuclear tradicionais, dezenas de milhares de acessórios de tubulação precisam ser transferidos para o local da usina nuclear. No entanto, o equipamento multilaser BLT{3}}S1500-da Platinum Technology pode fazer a mesma coisa com um único peso de 1,5 toneladas, o que encurta a distância entre-o continente até dentro da área da fábrica. Esta metodologia de “fabrico e instalação” reduziu o tempo necessário para instalar uma determinada central nuclear CGN em 70%, reduziu a quantidade de soldadura necessária no local em 90% e reduziu as emissões de carbono durante a construção em 23.000 toneladas.
3. O salto de desempenho dos equipamentos de energia limpa: da otimização de estruturas à integração de funções
O desenvolvimento de equipamentos energéticos caminha para “alto desempenho e baixo consumo de energia” graças à impressão 3D em metal. No campo da energia eólica, a impressão 3D contornou os problemas que os métodos tradicionais de fundição apresentam nas arquiteturas de rede de cisalhamento de lâmina. Usando a tecnologia adesiva jet bonding (BJT), os conectores de raiz de pá de turbina eólica de nível de 100 metros da Vestas facilitam a montagem da construção. Costumava-se levar 127 componentes para fazer uma única peça. Isto reduz o torque inicial das lâminas em 18%, evitando o cansaço. Também aumenta a quantidade de energia gerada a cada ano em 3,2%.
A capacidade da impressão 3D de combinar várias peças em uma só peça também é útil para fabricar equipamentos movidos-a hidrogênio. O processo de estampagem tradicional é necessário para fazer mais de 200 moldes de canais de fluxo independentes para a placa bipolar da pilha de células de combustível Toyota Mirai. No entanto, a impressão 3D pode criar diretamente uma placa bipolar integrada com canais de fluxo em serpentina, orifícios para sensores de temperatura e orifícios para difusão de hidrogênio. Isto aumenta a densidade de potência da pilha em 25% e a taxa de utilização de hidrogénio em 15%. Esta integração funcional não só utiliza menos material, mas também reduz a quantidade de energia que o sistema utiliza para funcionar, otimizando os caminhos que a energia percorre.
4. Captura e uso de carbono: da ideia à prática de engenharia
A impressão 3D está resolvendo o problema técnico na captura de carbono que torna impossível aos métodos tradicionais criar estruturas interiores complicadas. Filtros com dezenas de milhares de furos-de tamanho de mícron são necessários para o sistema Direct Air Capture (DAC), e os métodos de processamento típicos realizam apenas menos de 30% do trabalho. Mas a impressão 3D pode manter os erros de tamanho dos poros dentro de ± 5 μm. O reator de captura de carbono que a 3D Systems criou para o AirCapture tem três vezes a área de troca de calor devido à otimização da topologia. Isso significa que pode coletar 40% mais carbono por unidade de volume. Ao mesmo tempo, o peso do equipamento caiu de 12 toneladas para 3,8 toneladas. Isto significa que as emissões de carbono são muito mais baixas durante o transporte e a instalação.
É ainda mais interessante que a impressão 3D esteja tornando as tecnologias de utilização de carbono mais amplamente disponíveis. O Norwegian Carbon Clean usa um reator modular de conversão de carbono feito por impressão 3D para tornar o processo de transformação de CO ₂ em metanol 85% mais energeticamente-eficiente, o que é 22 pontos percentuais mais eficiente do que os métodos existentes. O gerenciamento exato das estruturas de turbulência dentro do reator por impressão 3D é o que torna possível esse aumento de eficiência. Aumenta a área onde o gás e o líquido entram em contato em 60% e a taxa de reação em três vezes.
5. A transformação verde da ecologia industrial: passagem de uma economia linear para uma economia circular
Os recursos de circuito-fechado da impressão 3D em metal estão mudando a cadeia industrial de energia. O método de circulação de pó da Platinum Technology pode aumentar a taxa de recuperação de respingos de metal durante a impressão para 99,2%. Quando usado com um equipamento de recuperação de gás argônio, pode reduzir as emissões de carbono em 187 toneladas por ano com apenas uma unidade. O Chuangcai Advanced Study usou algoritmos de IA para criar pó de liga de titânio regenerado. Este pó possui qualidades mecânicas que chegam a 98% das do pó original e custa 40% menos para ser produzido. A State Power Investment Corporation o usou para fabricar baterias de armazenamento de energia.
Esta abordagem de economia circular está a alastrar a outras áreas. A Siemens Energy está construindo uma fábrica em NEOM New City, na Arábia Saudita, para produzir hidrogênio verde. Todas as suas máquinas de impressão 3D são modulares, o que significa que podem ser desmontadas em peças padrão e impressas em novas máquinas quando não forem mais necessárias. Isto significa que 95% dos recursos são utilizados durante todo o ciclo de vida da máquina. Este ciclo fechado de “regeneração do uso industrial” mostra que os equipamentos energéticos estão mudando de “consumíveis” para “bens duráveis”.