La fabrication additive est essentielle pour l'avenir de l'énergie

30 septembre 2022 | Temps de lecture : 3 min

Dans une édition spéciale en trois parties du podcast Additive Snack d'EOS, nous nous penchons sur le rôle que les technologies de fabrication additive joueront à l'avenir dans des avancées énergétiques plus puissantes, plus efficaces et plus durables.

Les améliorations apportées à la fabrication additive ouvrent la voie à une énergie durable et fiable

Les émissions de dioxyde de carbone (CO2) et d'autres gaz à effet de serre (GES) sont plus élevées que jamais en raison de la demande croissante d'énergie de la société. Mais il n'est pas encore possible d'abandonner les combustibles fossiles et de passer instantanément aux énergies renouvelables. La fabrication additive se présente comme une technologie susceptible d'accélérer le développement et le déploiement de solutions énergétiques novatrices en vue d'un avenir sans carbone.

Même si l'énergie durable ne peut pas remplacer immédiatement les combustibles fossiles, elle est porteuse de progrès remarquables qui réduisent la dépendance à l'égard des combustibles fossiles et contribuent à jeter les bases d'un monde moins "carbonisé". Ces progrès vont des turbines éoliennes de pointe et de la technologie de capture du carbone aux travaux visant à exploiter la fusion nucléaire en tant qu'énergie propre.

Dans le cadre de la mini-série de podcasts sur l'avenir de l'énergie, nous nous sommes entretenus avec des experts de différents secteurs de l'industrie, tous enthousiastes quant à la contribution de la fabrication additive aux énergies vertes. En d'autres termes, il s'agit de l'une des séries de conversations les plus intéressantes que nous ayons eu le plaisir d'animer. Poursuivez votre lecture pour découvrir les principaux thèmes de chaque épisode.

Une approche additive de la durabilité du gaz naturel

Pour la première partie, nous nous sommes entretenus avec Quan Lac, vice-président de la fabrication additive chez Siemens Energy, et Pierre Forêt, responsable de la fabrication additive chez Linde. M. Forêt et M. Lac se sont tous deux rendu compte que l'hydrogène était l'une des sources d'énergie les plus rentables qui soient. Les turbines alimentées par du gaz naturel conventionnel peuvent être converties pour fonctionner partiellement ou entièrement à l'hydrogène, deux sources d'énergie beaucoup plus efficaces que le gaz brûlé au charbon ou l'huile de schiste.

La difficulté d'isoler l'hydrogène gazeux à haut volume est l'un des principaux obstacles à son utilisation courante : Les électrolyseurs le séparent de l'eau, après quoi il est comprimé et acheminé vers une turbine ayant besoin de carburant (ou stocké pour une utilisation ultérieure). Mais le plus grand électrolyseur jamais construit - une machine que M. Forêt connaît bien, puisque son équipe est en train de la construire - a un seuil maximal d'électricité de 24 mégawatts. Autant dire que cette puissance n'est pas suffisante pour électrolyser l'hydrogène et fournir de la chaleur ou de l'électricité (ou les deux) à grande échelle commerciale et résidentielle. Comme on peut s'y attendre, ces efforts sont loin d'être bon marché, ce qui ne fait qu'aggraver la difficulté de faire de l'hydrogène une source d'énergie verte courante.

MM. Lac et Forêt utilisent tous deux la fabrication additive dans le cadre de divers projets d'hydrogénation. Chez Siemens Energy, M. Lac et son équipe ont imprimé en 3D des brûleurs, des tourbillons de combustion, des conduits et d'autres pièces qui refroidissent l'air et mélangent le carburant plus rapidement, ce qui permet aux turbines à gaz de fonctionner plus chaudement (et donc plus efficacement). Ils conçoivent également un prototype de système intégré d'énergie verte pour une usine désaffectée.

Par ailleurs, M. Forêt et ses collègues de Linde utilisent la fabrication additive pour concevoir des pièces aux géométries complexes, impossibles à réaliser par la fabrication conventionnelle, ce qui est particulièrement important pour les dispositifs de gestion thermique, notamment les échangeurs de chaleur, les buses et les connecteurs. M. Forêt souligne que l'hydrogène n'est pas la solution définitive en matière d'énergie propre, mais qu'il sera essentiel à la décarbonisation dans de nombreuses applications, allant de la sidérurgie à la construction aéronautique.

Fabrication responsable d'éoliennes et capture du carbone

Jeremy Haight, ingénieur principal et spécialiste en chef de la fabrication additive et des concepts avancés chez le fabricant d'éoliennes Vestas, a expliqué à Additive Snack que son entreprise a commencé à utiliser FA pour le remplacement de pièces à petite échelle. Son équipe a fini par arriver à un stade où les pénuries majeures de la chaîne d'approvisionnement (par exemple, celles résultant de la pandémie de COVID-19) ne ralentissaient pas de manière significative le processus de fabrication de Vestas. Vestas met en œuvre la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) et d'autres technologies additives pour créer des composants de transmission et de production d'électricité, entre autres. Selon M. Haight, la fabrication additive, qui permet une intégration verticale et un inventaire numérisé, réduit les coûts de construction et galvanise les efforts de développement durable en réduisant la production de carbone.

Stefan McClelland, ingénieur mécanicien principal chez ReCarbon, ne cherche pas à éviter les émissions de GES, mais à les piéger (notamment le CO2 et le méthane) et à les transformer en carburant propre à base d'hydrogène. Comme le gaz qui en résulte brûle à une température très élevée (2 000 degrés Celsius/3 632 Fahrenheit), seule la fabrication additive permet à ReCarbon de créer efficacement ses "lames d'émission" exclusives et d'autres pièces clés. Les géométries complexes des composants que seule FA permet d'obtenir permettent aux systèmes de ReCarbon de diriger le flux de gaz pendant la conversion des GES sans subir de dommages liés à la chaleur. M. McClelland a déclaré que si ReCarbon n'était pas encore commercialement prêt, il était satisfait de l'état d'avancement de ses prototypes et a déclaré sans ambages que "sans la fabrication additive, nous serions morts dans l'eau".

Le rêve de l'énergie de fusion se rapproche de la réalité

Lentement mais sûrement, l'énergie durable basée sur la fusion passe d'un rêve impossible à une réalité potentielle - avec l'aide de la fabrication additive. Pour la finale de l'exposition "L'avenir de l'énergie", il semblait tout à fait approprié de recruter des invités qui travaillent dans ce sens : Jim McNeil, directeur du marketing de TAE, et Vincent Pilard, ingénieur principal en mécanique et en produits.

À l'instar de l'utilisation de l'hydrogène, la mise en œuvre d'une fusion évolutive tout en limitant les risques de radioactivité a toujours freiné les progrès. Les températures à l'intérieur du soleil, où la fusion nucléaire se produit chaque jour, atteignent 15 millions de degrés Celsius (27 millions de Fahrenheit). Comme l'a expliqué M. Pilard, pour reproduire la fusion sur Terre, il faudrait des températures comprises entre 100 millions et 1 milliard de degrés Celsius. TAE utilise une technologie propriétaire appelée configuration de champ inversé, qui confine le plasma dans des champs magnétiques. La température maximale est actuellement de 75 millions.

Aucun des représentants de TAE n'a minimisé la complexité de la fusion nucléaire commerciale. Mais M. Pilard a expliqué que la fabrication additive avait déjà eu un impact positif sur leurs efforts et qu'elle continuerait à le faire, notamment en ce qui concerne les technologies de refroidissement actif : TAE a entièrement redessiné un composant de refroidissement connu sous le nom de "beam dump", le rendant plus léger, plus flexible et capable d'une plus grande capacité de refroidissement. Cela permet de réduire l'utilisation de matériaux et d'optimiser la chaîne d'approvisionnement. M. McNeil a ajouté que ce que TAE a réalisé jusqu'à présent - bien qu'il s'agisse de générations éloignées de la fusion pure - illustre parfaitement le chemin parcouru par la fabrication additive au cours de ses 40 années d'existence.

Restez concentré sur FA avec Additive Snack

Ces sujets énergétiques étaient indéniablement complexes, et les résumés ci-dessus ne présentent que quelques-uns des points les plus alléchants de chaque épisode. Pour les histoires complètes - ainsi que les conversations régulières sur les applications et les progrès de la fabrication additive - continuez à écouter Additive Snack, disponible sur toutes les principales plates-formes de podcast.