Jetzt, mehr als 20 Jahre nach Beginn des 21. Jahrhunderts, wird die Bekämpfung des Klimawandels immer wichtiger. Wie von der UN Net Zero Coalition vorgeschlagen: Das Pariser Abkommen von 2050 unterstreicht die Notwendigkeit erheblicher Emissionsreduktionen innerhalb eines Jahrzehnts, um die globale Erwärmung unter 1,5 Grad zu halten und ein lebenswertes Klima zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, bauen Schwerindustriehersteller schnell Unternehmen auf und investieren viel, während Tech-Startups neue Lösungen entwickeln. Trotz der Investitionen industrieller Hersteller zur Lösung des Problems und der Schaffung neuer Lösungen durch neue Technologieunternehmen bleibt das globale Ziel unerfüllt.
Das Herzstück der Kohlenstoffabscheidung sind einige relativ einfache chemische Reaktionen. Jedes System zur Kohlenstoffabscheidung und -regeneration muss mit äußerster Effizienz arbeiten, um sicherzustellen, dass es Probleme nicht durch den Verbrauch von kohlenstoffreichen Kraftstoffen oder die Emission von mehr Kohlenstoff in die Atmosphäre verschlimmert. Mit anderen Worten, wir müssen so viel Kohlenstoff wie möglich einfangen und gleichzeitig viel weniger Kohlenstoff zur Erzeugung der Reaktion verwenden, als eingefangen wird. Im Idealfall besteht das Ziel darin, einen Null-CO2-Input gegen eine unbegrenzte CO2-Rückgewinnung als Output einzutauschen.
Um dieses Problem zu lösen, ist eine CO2-negative Infrastruktur erforderlich. Die effizienteste, effektivste und skalierbarste Methode zur Reduzierung von CO2-Emissionen ist die Verwendung von Direct Air Capture (DAC). Direct Air Capture ist eine Technologie, die Kohlendioxid aus der Luft trennt, um wirtschaftlich benötigte Produkte herzustellen – wie landwirtschaftliche Produkte, Baumaterialien, Kraftstoffe, Kunststoffe und Chemikalien. DACs ermöglichen auch die Abscheidung -- die Fähigkeit, CO2 für konstruktive Zwecke zu speichern -- und verwandeln es von einer Bedrohung in eine Chance.
Die Vorteile der additiven Fertigung
Um Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu entfernen, ist ein System aus Filtern, Wärmetauschern, Kondensatoren, Gasabscheidern und Kompressoren erforderlich. Viele dieser komplexen Teile erfordern Geometrien, die sich gut für die additive Fertigung eignen, die effizienter und potenziell kostengünstiger als herkömmliche Fertigungsmethoden ist und DAC-Geräten erhebliche Leistung und wirtschaftliche Vorteile bringt:
Designoptimierung für Energieeffizienz. Wenn wir die Designoptimierungsfunktionen der additiven Fertigung auf diese Kohlenstoffabscheidungs- und -nutzungssysteme anwenden, haben wir das Potenzial, die Leistung und Effizienz dramatisch zu steigern und uns dem Energieverlust anzunähern.
Gestaltungsfreiheit. Rapid Prototyping Manufacturing befreit Designs, um die neuartigen Strukturen auszudrücken, die erforderlich sind, um atmosphärischen Kohlenstoff effizient einzufangen und zu verarbeiten und ihn für etwas Nützliches zu verwenden.
Leistung. Es kann eine Reihe von Legierungen mit Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit herstellen.
Erweiterbarkeit. Schnelle Lieferung mit skalierbarer Fertigung, um die hohe Nachfrage nach Geräten im Außendienst zu unterstützen.
Effizienz der Lieferkette. Komponentenintegration und Gesamtdesign ermöglichen die Rationalisierung von Qualität und Lieferkette. Wir können den CO2-Fußabdruck nicht ignorieren, der durch die Verwendung mehrerer Lieferanten im ganzen Land entsteht, um eine einzelne Komponente herzustellen.
Die additive Fertigung erfüllt alle Anforderungen für die Herstellung solcher Reaktoren und ermöglicht Anwendungen, die verschiedene Anforderungen an die Kohlenstoffabscheidung erfüllen.
Ausrüstung für Mikroturbinen
Mikroturbinen sind eine aufstrebende Technologie in verschiedenen Branchen, einschließlich der Stromerzeugung. Sie bieten die Möglichkeit, eine effiziente Hochdruckgas- und Flüssigkeitsabgabe in einem kleinen Formfaktor mit minimalem Energie-/CO2-Fußabdruck bereitzustellen. Die Effizienz der CO2-Abscheidung ist der der allgemeinen Stromerzeugung sehr ähnlich und ist eine Funktion der Produktion und des Energieeinsatzes.
Hohe Leistung, zuverlässige Luftkompression und Stabilität des Systemdrucks sind heute und vor allem in Zukunft entscheidend für das Funktionieren von CO2-Abscheidungssystemen. Da sich industrielle CO2-Abscheidungssysteme in Richtung kommerziellerer Einheiten und verteilter Produktion und Betrieb bewegen, ist es noch wichtiger, neuartige, kompakte Turbinentechnologie einzusetzen, um hocheffiziente, kleine Betriebe zu ermöglichen.
Mmechanischer Filter
Ein wichtiger Teil der Kohlenstoffabscheidung besteht darin, den Kohlenstoff zuerst mit strukturierten mechanischen Filtern zu „fangen“, die normalerweise mit kohlenstoffanziehenden Aminen beschichtet sind. Luft wird in das System durch die erste Stufe gezogen, die die Stufe des "direkten Luftkontakts" ist. Die Effizienz eines Filters, der direkt mit der Luft in Kontakt kommt, kann durch eine Filterstruktur maximiert werden, die einen maximalen Kontakt zwischen der einströmenden Luft und der Filteroberfläche ermöglicht. Die additive Fertigung ermöglicht ein funktionsorientiertes Design dieses Filters, der ein hohes Maß an Turbulenz und Vermischung sowie eine große Oberfläche für maximalen Luftkontakt hervorrufen kann.
HAustauscher essen
Abwärme ist ein häufiges Problem bei der CO2-Abscheidung. In der ersten direkten Luftkontaktstufe eingefangener Kohlenstoff muss aus dem mechanischen Filter in die nachgeschaltete Raffinationsstufe evakuiert werden. In vielen Ausführungsformen der Technologie wird dies erreicht, indem der Kohlenstoff mit unter Druck stehendem Dampf aus dem Filter freigesetzt wird. Wärmetauscher können verwendet werden, um Restwärme aus dem Dampferzeugungsprozess zu entfernen, und häufiger stromabwärts, um die Temperatur des kohlenstoffreichen Dampfes zu reduzieren, der die Filterstufe verlässt. Darüber hinaus halten neue Wärmeaustauschstrategien in Kombination mit nachgeschalteten Destillations- und Raffinationsschritten den Prozess auf einer konstanten Temperatur, um chemische Reaktionen aufrechtzuerhalten und Kohlenstoffprodukte zu produzieren.
Diffusorplatte
Diffusorplatten werden üblicherweise in der chemischen Verarbeitung verwendet, um ein Gas- oder Flüssigkeitsvolumen aufzunehmen und zu mischen. Fluiddiffusion funktioniert wie das Konzept der Lichtkollimation, das eine Lichtquelle nimmt und die Energie so organisiert, dass das Licht in parallelen Strahlengängen nach außen streut. Eine Diffusorplatte ist dem Sprinklerkopf eines Gartenschlauchs sehr ähnlich, sie lässt die chaotische Flüssigkeit in einem strukturierten, gleichmäßigen Strom fließen. Flüssigkeitsdiffusionsplatten sind ein wichtiger Teil des Prozessstapels, um einen gleichmäßigen Fluss und die Handhabung von kohlenstoffreichen Flüssigkeiten beim Durchströmen zu gewährleisten.
Die additive Fertigung ermöglicht es großvolumigen Diffusorplatten, eine hocheffiziente Flüssigkeitsverteilung bereitzustellen, hauptsächlich durch die konstruktive Komplexität der Implementierung von Diffusorplattenformen, aber auch von Diffusordüsenformen. Additiv gefertigte Diffusorplatten, die Konzepte aus dem Design von Kraftstoffdüsen in der Luft- und Raumfahrt und Sprinkleranwendungen für Halbleiterinvestitionen entlehnen, können 20-mal schneller hergestellt werden als durch reine Bearbeitung.
Kühler und Stills
Das kohlenstoffreiche Produkt, das aus der Filtrationsstufe kommt, kann als „schmutzig“ angesehen werden und muss weiter verarbeitet werden, bevor es verwendet werden kann. Diese Wiederaufbereitung von schmutzigem Kohlenstoff kann außerhalb eines eigenständigen Systems durchgeführt werden, bedeutet jedoch, dass während der Logistik des Sammelns und Transports von schmutzigen Kohlenstoffprodukten zu sekundären Wiederaufbereitungsanlagen mehr Kohlenstoff erzeugt wird. Die wertvollsten und vielversprechendsten Kohlenstoffabscheidungssysteme verfügen über ein gewisses Maß an integrierter Wiederaufbereitung von schmutzigen Kohlenstoffprodukten, so dass die Ausgabe des Kohlenstoffabscheidungssystems saubere verwendbare Kohlenstoffprodukte und sichere Nebenprodukte auf Wasserbasis umfasst.
Raffinerietürme, einschließlich Destillierapparate und Wärmetauscher mit integrierter Kühlung, sind traditionell relativ komplex zu montieren, wobei Dutzende von Blechmänteln und -stufen (bis zu Hunderte von Metern an Bögen) sowie Dutzende von Flanschen, Armaturen und Verteilern erforderlich sein können bearbeitet oder gegossen. All dies muss beschafft und zusammengebaut werden, wodurch der kollektive Kohlenstoffausstoß und die Umweltverschmutzung durch die bloße Herstellung und Montage der Teile weiter erhöht werden.
Die additive Fertigung ermöglicht ein breites Spektrum an Komponentenintegration und Gesamtdesign, was eine erhebliche Integration und Rationalisierung der Lieferkette ermöglicht. Es ermöglicht auch funktionsorientierte, effiziente Designs, die die Endbearbeitung beschleunigen und mehr Leistung in einem kleineren Formfaktor bieten.
Verteiler (Flüssigkeit, Gas und Dampf)
Die Kohlenstoffabscheidung ist ein chemischer Prozess, der die Kombination von Flüssigkeiten und Gasen mit Chemie, Temperatur und Druck beinhaltet. Verteiler haben viele Anwendungen in der Kohlenstoffabscheidung, von der Zufuhr von Chemikalien zu Prozesskammern bis hin zur effizienten Verteilung von Kühlmittel an aktive Kühlkomponenten wie Wärmetauscher und allgemeine Gasverteilungsanwendungen. Was die Herstellung dieser Teile zu einer Herausforderung macht, ist nicht die Forderung nach chemischer Beständigkeit oder speziellen Materialien in Luft- und Raumfahrtqualität, sondern die Notwendigkeit, den Druckausgleich in den vielen Zweigleitungen aufrechtzuerhalten und sogar Flüssigkeiten durch die Prozesskammer zu leiten. Effiziente One-to-Many-Verzweigung und gleichmäßiger Fluidfluss in Verbindung mit Platz- und Montagebeschränkungen sind ein geometrisches Problem, bei dem die additive Fertigung einzigartige Vorteile bietet, und die Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs- und Halbleiterindustrie übernehmen jetzt die Technologie. Die weite Verbreitung ist der Beweis .
Die Möglichkeit, dass wir in Zukunft leichter atmen können
Die direkte Luftabscheidung und -veredelung sind Schlüsseltechnologien zur Verbesserung des atmosphärischen Kohlenstoffgehalts, und die additive Fertigung macht die Technologie derzeit erheblich effizienter. In diesem Zusammenhang sagte der Principal Solutions Leader von 3D Systems: „3D Systems und AirCapture haben in ihrer Zusammenarbeit einen langen Weg zurückgelegt, indem sie die additive Fertigung genutzt haben, um schnell herstellbare Komponenten zu iterieren und zu erstellen. Hocheffiziente Geometrien, die auf den Prozessstapel und den Wärmeaustausch angewendet werden, erhöhen sich Erfassen Sie die Effizienz bei gleichzeitiger Reduzierung des Formfaktors und des Platzbedarfs, wodurch die Technologie einfach zu installieren und letztendlich zu erweitern ist. Mit der weiteren Einführung fortschrittlicher Fertigungstechniken und Designwerkzeuge glauben wir, dass es einfacher ist zu verstehen, dass das Klima für zukünftige Generationen immer noch angenehm und lebenswert sein kann.