금속 3D 프린팅이 에너지 산업의 탄소 배출량을 줄이는 데 어떻게 도움이 될 수 있습니까?

1. 재료 사용의 변화: "삭제 제조"에서 "주문형 성장"으로-
주조, 단조 및 기계 가공은 금속을 작업하는 전통적인 방법 중 일부이지만 일반적으로 재료의 30%만 사용합니다. 예를 들어, 전통적인 단조 작업에서는 폭이 3m인 강철 주괴를 폭이 1.5m인 스핀들로 바꿔야 합니다. 이 과정에서 금속의 약 70%가 절단되어 스크랩으로 만들어집니다.금속 3D 프린팅레이어를 겹겹이 쌓아서 재료의 90% 이상을 사용할 수 있습니다. Platinum Technology는 상업용 항공우주 회사를 위한 로켓 엔진 추력 챔버를 만듭니다. 재료 사용률은 기존 기술의 15%에서 3D 프린팅 이후 92%로 증가했습니다. 각 부품의 무게가 60% 감소했습니다. 이는 로켓 발사 단계의 탄소 배출량이 더 낮다는 것을 의미합니다.
3D 프린팅의 "디지털 몰드" 요소는 재료를 더욱 효율적으로 만드는 요소입니다. 기존 제조에서는 금형을 미리 제작해야 하므로 설계를 수정하는 데 비용이 많이 듭니다. 3D 프린팅에서는 디지털 모델이 생산을 직접 주도하므로 토폴로지 최적화 설계를 신속하게 통합할 수 있습니다. 유럽 ​​레이싱 팀은 SLM(Selective Laser Melting) 기술을 사용해 엔진 실린더 헤드를 제작하는데, 이는 무게를 66%, 부피를 65%, 표면 방열 면적을 40% 줄였습니다. 또한, 본래의 힘을 유지하면서 연비를 12% 즉시 향상시킵니다. 이러한 수준의 설계 자유로 인해 에너지 장비는 기존 구조의 기계적 경계를 넘어 "제조를 위한 설계" 대신 "기능을 위한 설계"가 가능해졌습니다.
2. 에너지 생산 목적의 저-탄소 재구축: 중앙 집중식 제조에서 분산 제조로 전환
에너지 장비를 만드는 전통적인 방법은 글로벌 공급망에 크게 의존합니다. 원자재 조달부터 공정 종료 후 조립까지의 물류 연결은 전체 수명주기 탄소 배출량의 30% 이상을 차지합니다. 금속 3D 프린팅의 로컬 제작 능력은 이 문제를 해결하고 있습니다. 예를 들어, 일반적인 중앙 집중식 생산에서는 부품을 중국에서 세계 여러 지역으로 배송해야 합니다. 그러나 3D 프린팅 기술을 사용하면 각 설치 지점에서 즉시 작업을 수행할 수 있습니다. Bering 3D는 내후성 강철 분말을 사용하여 현장에서 인쇄하는 아프리카 오지용 태양광 브래킷을 생산했습니다. 즉, 국경을 넘어 배송하거나 저장할 필요가 없으며 단일 시스템의 탄소 배출량을 45%까지 줄입니다.
분산 제조를 위한 3D 프린팅의 이점은 원자력 사업에서 더 큽니다. 전통적인 원자력 증기발생기를 조립하려면 수만 개의 파이프 피팅을 원자력 발전소 현장으로 옮겨야 합니다. 그러나 Platinum Technology의 BLT-S1500 다중-레이저 장비는 1.5톤의 단일 무게로 동일한 작업을 수행할 수 있어 대륙 횡단에서 공장 구역 내부까지의 거리가-단축됩니다. 이 "제조 및 설치" 방법론은 특정 CGN 원자력 발전소를 설치하는 데 걸리는 시간을 70% 단축하고 현장에 필요한 용접량을 90% 줄였으며 건설 중 탄소 배출량을 23,000톤 줄였습니다.
3. 청정에너지 장비의 성능 향상: 구조 최적화에서 기능 통합으로
에너지 장비 개발은 금속 3D 프린팅 덕분에 '고성능 저에너지 소비' 쪽으로 나아가고 있다. 풍력 분야에서 3D 프린팅은 블레이드 전단 네트워크 아키텍처와 관련된 전통적인 주조 방법의 문제를 해결했습니다. BJT(접착제 제트 결합) 기술을 사용하는 Vestas의 100미터 높이 풍력 터빈 블레이드 루트 커넥터를 사용하면 조립이 더 쉬워집니다. 예전에는 하나의 조각을 만드는데 127개의 부품이 필요했습니다. 이는 블레이드의 시작 토크를 18% 낮추면서 블레이드가 피로해지는 것을 방지합니다. 매년 발전량도 3.2%씩 늘어난다.
여러 부품을 하나의 조각으로 결합하는 3D 프린팅 기능은 수소- 구동 장비를 만드는 데에도 유용합니다. Toyota Mirai 연료전지 스택의 양극판을 위한 200개 이상의 독립적인 흐름 채널 금형을 제작하려면 전통적인 스탬핑 공정이 필요합니다. 그러나 3D 프린팅은 구불구불한 흐름 채널, 온도 센서용 구멍, 수소 확산용 구멍이 있는 통합 양극판을 직접 만들 수 있습니다. 이는 스택의 전력 밀도를 25% 증가시키고 수소 활용률을 15% 증가시킵니다. 이러한 기능적 통합은 재료를 덜 사용할 뿐만 아니라 에너지 경로를 최적화하여 시스템이 작동하는 데 사용하는 에너지의 양을 줄입니다.
4. 탄소 포집 및 사용: 아이디어에서 엔지니어링 실습까지
3D 프린팅은 전통적인 방법으로는 복잡한 내부 구조를 만드는 것이 불가능하게 만드는 탄소 포집의 기술적 문제를 해결하고 있습니다. DAC(직접 공기 포집) 시스템에는 수만 마이크론- 크기의 구멍이 있는 필터가 필요하며 일반적인 처리 방법으로는 작업의 30% 미만만 수행됩니다. 그러나 3D 프린팅은 기공 크기 오류를 ± 5μm 이내로 유지할 수 있습니다. 3D Systems가 AirCapture용으로 제작한 탄소 포집 반응기는 토폴로지 최적화로 인해 열 교환 면적이 3배 더 큽니다. 이는 단위 부피당 40% 더 많은 탄소를 수집할 수 있다는 의미입니다. 동시에 장비 중량도 12톤에서 3.8톤으로 감소했습니다. 이는 운송 및 설치 과정에서 탄소 배출량이 훨씬 낮다는 것을 의미합니다.
3D 프린팅으로 인해 탄소 활용 기술이 더욱 광범위하게 활용될 수 있다는 점은 더욱 흥미롭습니다. 노르웨이 카본 클린(Norwegian Carbon Clean)은 3D 프린팅으로 만든 모듈식 탄소 변환 반응기를 사용하여 CO 2를 메탄올로 전환하는 과정을 85% 더 높은 에너지-효율로 만듭니다. 이는 기존 방법보다 22% 더 효율적입니다. 3D 프린팅을 통해 원자로 내부의 난류 구조를 정확하게 관리함으로써 이러한 효율성 향상이 가능해졌습니다. 기체와 액체가 접촉하는 면적은 60% 증가하고 반응속도는 3배 증가한다.
5. 산업생태계의 녹색전환: 선형경제에서 순환경제로의 전환
금속 3D 프린팅의 폐쇄{1}}루프 기능은 에너지 산업 체인을 변화시키고 있습니다. 플래티넘 테크놀로지의 파우더 순환 방식은 인쇄 시 금속 튀김의 회수율을 99.2%까지 높일 수 있습니다. 아르곤 가스 회수 장비와 함께 사용하면 단 한 대의 장치로 연간 187톤의 탄소 배출량을 줄일 수 있습니다. Chuangcai Advanced Study는 AI 알고리즘을 사용하여 재생된 티타늄 합금 분말을 만들었습니다. 이 분말은 원래 분말의 최대 98%에 달하는 기계적 품질을 가지며, 제조 비용은 40% 저렴합니다. State Power Investment Corporation은 이를 에너지 저장 배터리 껍질을 만드는 데 사용했습니다.
이러한 순환 경제 접근 방식은 다른 영역으로 확산되고 있습니다. 지멘스에너지가 사우디아라비아 네옴(NEOM) 신도시에 그린수소 제조공장을 짓고 있다. 모든 3D 프린팅 기계는 모듈식입니다. 즉, 표준 부품으로 분해하고 더 이상 필요하지 않은 경우 새 기계로 프린팅할 수 있습니다. 이는 기계의 전체 수명 주기 동안 리소스의 95%가 사용된다는 의미입니다. 이러한 "제조용 재생"의 폐쇄 루프는 에너지 장비가 "소모품"에서 "내구재"로 변화하고 있음을 보여줍니다.