La manifattura additiva è la chiave del futuro dell'energia

30 settembre 2022 | Tempo di lettura: 3 min

In un'edizione speciale in tre parti del podcast Additive Snack di EOS, approfondiamo il ruolo che le tecnologie di produzione additiva svolgeranno nel futuro di progressi energetici più potenti, efficienti e sostenibili.

I miglioramenti della produzione additiva puntano a una sostenibilità energetica affidabile

Le emissioni di anidride carbonica (CO2) e di altri gas serra (GHG) sono più alte che mai a causa della crescente domanda di energia da parte della società. Ma non è ancora possibile abbandonare i combustibili fossili e passare immediatamente alle energie rinnovabili. La manifattura additiva si presenta come una tecnologia in grado di accelerare lo sviluppo e la diffusione di soluzioni energetiche innovative, per guidare verso un futuro senza emissioni di carbonio.

Anche se l'energia sostenibile non può sostituire immediatamente i combustibili fossili, è ricca di progressi notevoli, che riducono la dipendenza dai combustibili fossili e aiutano a sostenere le fondamenta di un mondo meno "carbonizzato". Si va dalle turbine eoliche all'avanguardia e dalla tecnologia di cattura del carbonio al lavoro per sfruttare la fusione nucleare come energia pulita.

Per la miniserie di podcast Future of Energy abbiamo parlato con esperti di diversi settori, tutti entusiasti del contributo della produzione additiva all'energia verde. In poche parole, è stata una delle serie di conversazioni più interessanti che abbiamo avuto il piacere di ospitare. Continuate a leggere per scoprire i temi principali di ogni episodio.

Un approccio additivo alla sostenibilità del gas naturale

Per la prima parte, abbiamo parlato con Quan Lac, vicepresidente di Siemens Energy per la produzione additiva, e Pierre Forêt, responsabile di Linde per la produzione additiva. Sia Forêt che Lac si sono resi conto che l'idrogeno è una delle fonti energetiche potenzialmente più efficienti dal punto di vista dei costi. Le turbine alimentate con il gas naturale convenzionale possono essere convertite per funzionare parzialmente o interamente a idrogeno, entrambi molto più efficienti del gas bruciato a carbone o dell'olio di scisto.

La difficoltà di isolare l'idrogeno gassoso ad alto volume è facilmente uno dei maggiori ostacoli al suo utilizzo tradizionale: Gli elettrolizzatori lo separano dall'acqua, dopodiché viene compresso e inviato a una turbina che necessita di carburante (o immagazzinato per un uso successivo). Ma il più grande elettrolizzatore mai realizzato - una macchina che Forêt conosce bene, visto che il suo team la sta costruendo - ha una soglia massima di elettricità di 24 megawatt. Basti dire che non è una potenza sufficiente per elettrolizzare l'idrogeno e fornire calore o energia (o entrambi) su larga scala commerciale e residenziale. Come ci si può aspettare, questi sforzi sono tutt'altro che economici e questo non fa che aumentare la sfida di trasformare l'idrogeno in una fonte di energia verde di largo consumo.

Sia Lac che Forêt utilizzano la fabbricazione additiva in vari progetti di idrogenazione. Alla Siemens Energy, Lac e il suo team hanno stampato in 3D gruppi di bruciatori, vortici di combustione, condotti e altre parti che raffreddano l'aria e mescolano il combustibile più rapidamente, consentendo alle turbine a gas di funzionare a temperature più elevate (e quindi in modo più efficiente). Stanno anche progettando un prototipo di sistema integrato di energia verde per una fabbrica abbandonata.

Nel frattempo, Forêt e i suoi colleghi di Linde utilizzano la produzione additiva per progettare parti con geometrie complesse semplicemente impossibili da realizzare con la produzione convenzionale, il che è particolarmente importante per i dispositivi di gestione termica, tra cui scambiatori di calore, ugelli e connettori. Forêt ha sottolineato che l'idrogeno non è la soluzione definitiva per l'energia pulita, ma afferma che sarà fondamentale per la decarbonizzazione in numerose applicazioni, dalla produzione di acciaio alla produzione di aerei.

Produzione responsabile nelle turbine eoliche e nella cattura del carbonio

Jeremy Haight, ingegnere principale e specialista principale per la produzione additiva e i concetti avanzati presso il produttore di turbine eoliche Vestas, ha spiegato ad Additive Snack che la sua azienda ha iniziato a utilizzare l'AM per la sostituzione di parti su piccola scala. Alla fine, il suo team è arrivato al punto in cui le grandi carenze della catena di approvvigionamento (ad esempio, quelle derivanti dalla pandemia COVID-19) non rallentavano in modo significativo il processo di produzione di Vestas. Vestas sta implementando la fusione a letto di polvere laser (LPBF) e altre tecnologie additive per creare componenti di trasmissione e di generazione elettrica, tra le altre parti. Haight ha affermato che, poiché la produzione additiva consente l'integrazione verticale e l'inventario digitalizzato, riduce i costi di costruzione e galvanizza gli sforzi di sostenibilità riducendo le emissioni di carbonio.

Nel frattempo, Stefan McClelland, ingegnere meccanico senior di ReCarbon, non si concentra sull'evitare le emissioni di gas serra, ma sull'intrappolarle (in particolare CO2 e metano) e trasformarle in carburante pulito a base di idrogeno. Poiché il gas risultante brucia a una temperatura così elevata (2.000 gradi Celsius/3.632 Fahrenheit), solo attraverso la produzione additiva ReCarbon può creare in modo efficiente le sue "lame di emissione" proprietarie e altre parti chiave. Le complesse geometrie dei componenti, che solo l'AM consente, permettono ai sistemi ReCarbon di dirigere il flusso di gas durante la conversione dei gas serra senza subire danni dovuti al calore. McClelland ha dichiarato che, sebbene ReCarbon non sia ancora pronta per la commercializzazione, è soddisfatto del punto in cui si trovano i suoi prototipi e ha detto senza mezzi termini che "senza la produzione additiva, saremmo morti nell'acqua".

Il sogno dell'energia di fusione si avvicina alla realtà

Lentamente ma inesorabilmente, l'energia sostenibile basata sulla fusione si sta trasformando da un sogno impossibile in una potenziale realtà, con l'aiuto della produzione additiva. Per la finale di Future of Energy, ci è sembrato giusto reclutare gli ospiti che lavorano per questo obiettivo: il responsabile marketing di TAE Jim McNeil e l'ingegnere meccanico e di prodotto senior Vincent Pilard.

Non diversamente dall'uso dell'idrogeno gassoso, l'esecuzione di una fusione scalabile e al contempo la riduzione dei rischi di radioattività hanno sempre frenato il progresso. Le temperature all'interno del Sole, dove la fusione nucleare avviene ogni giorno, raggiungono i 15 milioni di gradi Celsius (27 milioni di Fahrenheit). Come ha spiegato Pilard, replicare praticamente la fusione sulla Terra richiederebbe temperature comprese tra 100 milioni e 1 miliardo di gradi Celsius. Il TAE utilizza una tecnologia proprietaria chiamata configurazione inversa del campo, che confina il plasma all'interno di campi magnetici. Attualmente la temperatura massima è di 75 milioni.

Nessuno dei due rappresentanti del TAE ha minimizzato la complessità della fusione nucleare commerciale. Ma Pilard ha spiegato che la produzione additiva ha già avuto un impatto positivo sui loro sforzi e continuerà ad averlo, come nel caso delle tecnologie di raffreddamento attivo: TAE ha completamente riprogettato un componente di raffreddamento noto come "beam dump", rendendolo più leggero, flessibile e capace di una maggiore capacità di raffreddamento. Questo riduce l'utilizzo di materiali e favorisce l'ottimizzazione della catena di fornitura. McNeil ha aggiunto che quanto fatto finora da TAE - per quanto lontano dalla fusione pura - esemplifica perfettamente i progressi compiuti dalla manifattura additiva nei suoi 40 anni di storia.

Rimanete concentrati sulla mattina con Additive Snack

Questi temi energetici erano innegabilmente complessi e i riassunti qui sopra mostrano solo alcuni dei punti più allettanti di ogni episodio. Per le storie complete e per le conversazioni periodiche sulle applicazioni e sui progressi della produzione additiva, continuate a sintonizzarvi su Additive Snack, disponibile su tutte le principali piattaforme podcast.