金属 3D プリンティングは、エネルギー業界の二酸化炭素排出量削減にどのように役立つのでしょうか?

1. 材料使用の変化: 「サブトラクティブ製造」から「オンデマンド成長」へ-
鋳造、鍛造、機械加工は金属を加工する伝統的な方法の一部ですが、通常、材料の 30% しか使用しません。たとえば、従来の鍛造作業では、幅 3 メートルの鋼インゴットを幅 1.5 メートルのスピンドルに加工する必要があります。このプロセス中に金属の約 70% が切り刻まれてスクラップになります。金属3Dプリント層を積み重ねることにより、材料の90％以上を使用できます。 Platinum Technology は、民間航空宇宙会社向けにロケット エンジンの推力室を製造しています。素材の使用率は、従来の技術では 15% でしたが、3D プリント後は 92% に増加しました。各部品の重量は 60% 削減されており、ロケット発射段階での二酸化炭素排出量が減少します。
3D プリントの「デジタル金型」要素により、材料の効率が向上します。従来の製造では、事前に金型を作成する必要があるため、設計の変更にコストがかかります。 3D プリンティングでは、デジタル モデルが生産を直接推進するため、トポロジ最適化設計を迅速に組み込むことが容易になります。ヨーロッパのレーシング チームは、SLM (選択的レーザー溶解) 技術を使用してエンジン シリンダー ヘッドを製造し、重量を 66%、体積を 65%、表面放熱面積を 40% 削減しています。また、本来の強度を維持したまま、燃費を即座に12%向上させます。このレベルの設計の自由度により、エネルギー機器は従来の構造の機械的境界を越えることができ、「製造のための設計」ではなく「機能のための設計」が可能になります。
2. エネルギー生産端の低炭素再構築: 集中製造から分散製造への移行
エネルギー機器を製造する従来の方法は、グローバルなサプライチェーンに大きく依存しています。原材料の入手からプロセスの終わりに組み立てられるまでの物流のつながりは、ライフサイクル全体の炭素排出量の 30% 以上を占めます。金属 3D プリンティングの現地での製造能力がこの問題を解決します。たとえば、典型的な集中生産では、部品を中国から世界のさまざまな地域に輸送する必要があります。しかし、3D プリント技術を使用すると、各設置ポイントですぐに物を作ることができます。 Bering 3D は、アフリカの僻地向けに耐候性鋼粉を現場で印刷したソーラーブラケットを製造しました。-これは、国境を越えて輸送したり保管したりする必要がなく、単一システムの二酸化炭素排出量を 45% 削減できることを意味します。
分散型製造における 3D プリンティングの利点は、原子力事業においてより大きくなります。従来の原子力発電用蒸気発生器を組み立てるには、数万個のパイプ継手を原子力発電所の敷地に移動する必要があります。しかし、Platinum Technology の BLT-S1500 マルチ レーザー装置は、1.5 トンの重量で同じことを行うことができ、大陸横断-から工場エリア内までの距離を短縮します。この「製造と設置」方法論により、特定の CGN 原子力発電所の設置にかかる時間が 70% 短縮され、現場で必要な溶接の量が 90% 削減され、建設中の炭素排出量が 23,000 トン削減されました。
3. クリーンエネルギー機器の性能飛躍：構造の最適化から機能の統合へ
エネルギー機器の開発は金属3Dプリンティングにより「高性能・低消費電力」を目指して進んでいます。風力発電の分野では、3D プリンティングにより、従来の鋳造方法がブレード シャー ネットワーク アーキテクチャで抱えていた問題が回避されました。 Vestas の 100 メートル レベルの風力タービン ブレード ルート コネクタは、接着剤ジェット ボンディング (BJT) 技術を使用して、構造を簡単に組み立てることができます。かつては 1 つの部品を作るのに 127 個の部品が必要でした。これにより刃の疲れを抑えながら初動トルクを18%低減しました。また、毎年の発電量も 3.2% 増加します。
複数の部品を 1 つの部品に組み合わせる 3D プリントの機能は、水素を動力とする装置の作成にも役立ちます。-トヨタ ミライ燃料電池スタックのバイポーラ プレート用の 200 以上の独立した流路金型を作成するには、従来のスタンピング プロセスが必要です。ただし、3D プリンティングでは、蛇行流路、温度センサー用の穴、水素拡散用の穴を備えた一体型バイポーラ プレートを直接作成できます。これにより、スタックの電力密度が 25%、水素利用率が 15% 増加します。この機能統合により、使用する材料が削減されるだけでなく、エネルギーの経路が最適化されるため、システムの実行に使用されるエネルギーの量も削減されます。
4. 二酸化炭素の回収と利用: アイデアからエンジニアリングの実践まで
3D プリンティングは、従来の方法では複雑な内部構造を作成することを不可能にしていた炭素回収の技術的問題を解決しています。ダイレクト エア キャプチャ（DAC）システムには数万ミクロンの穴を持つフィルタが必要ですが、一般的な処理方法では作業の 30% 未満しか完了しません。{2}}しかし、3D プリントでは細孔サイズの誤差を ±5 μm 以内に抑えることができます。 3D Systems が AirCapture 用に作成した炭素回収リアクターは、トポロジーの最適化により 3 倍の熱交換面積を備えています。これは、単位体積あたり 40% 多くの炭素を収集できることを意味します。同時に、機器の重量は 12 トンから 3.8 トンに減少しました。これは、輸送時および設置時の二酸化炭素排出量が大幅に少ないことを意味します。
さらに興味深いのは、3D プリンティングによって炭素利用技術がより広く利用可能になっているということです。 Norwegian Carbon Clean は、3D プリンティングで作られたモジュール式炭素変換反応器を使用して、CO ₂ をメタノールに変換するプロセスのエネルギー効率を 85% 向上させています。これは、既存の方法より 22% ポイント効率的です。- 3D プリンティングによる反応炉内の乱流構造の正確な管理により、この効率の向上が可能になります。気体と液体が接触する面積が60%増加し、反応速度が3倍に増加します。
5. 産業エコロジーのグリーン変革: 直線経済から循環経済への移行
金属 3D プリンティングのクローズドループ機能は、エネルギー産業チェーンを変えています。-プラチナテクノロジーの粉体循環方式により、印刷時の金属飛沫の回収率を99.2％まで高める可能性がある。アルゴンガス回収装置と併用すると、1 台だけで年間 187 トンの炭素排出量を削減できます。 Chuangcai Advanced Study は、AI アルゴリズムを使用して再生チタン合金粉末を作成しました。この粉末は、元の粉末の最大 98% の機械的品質を備えており、製造コストは 40% 削減されます。 State Power Investment Corporation は、エネルギー貯蔵電池のシェルの製造にそれを使用しました。
この循環経済アプローチは他の分野にも広がりつつあります。シーメンス・エナジーは、サウジアラビアのNEOM新都市にグリーン水素を製造する工場を建設している。同社の 3D 印刷機はすべてモジュール式であるため、不要になった後は標準部品に分解して新しい機械に印刷できます。これは、リソースの 95% がマシンのライフサイクル全体で使用されることを意味します。この「製造用途の再生」という閉ループは、エネルギー機器が「消耗品」から「耐久財」へ変化しつつあることを示しています。