Сейчас, спустя более 20 лет в 21 веке, важность борьбы с изменением климата возрастает. Согласно предложению коалиции ООН Net Zero: Парижское соглашение 2050 года подчеркивает необходимость значительного сокращения выбросов в течение десятилетия, чтобы удержать глобальное потепление на уровне ниже 1,5 градуса и гарантировать пригодный для жизни климат. Для этого производители тяжелой промышленности быстро строят бизнес и вкладывают значительные средства, а технологические стартапы создают новые решения. Несмотря на инвестиции промышленных производителей в решение проблемы и создание новых решений новыми технологическими компаниями, глобальная цель остается невыполненной.
В основе улавливания углерода лежат относительно простые химические реакции. Любая система улавливания и регенерации углерода должна работать с максимальной эффективностью, чтобы гарантировать, что она не усугубит проблемы, потребляя топливо с высоким содержанием углерода или выбрасывая больше углерода в атмосферу. Другими словами, мы должны улавливать как можно больше углерода, используя при этом гораздо меньше углерода, чем улавливается, для создания реакции. В идеале цель состоит в том, чтобы обменять ввод углерода с нулевого уровня на неограниченное извлечение углерода на выходе.
Для решения этой проблемы необходима углеродно-отрицательная инфраструктура. Самый эффективный, действенный и масштабируемый способ помочь сократить выбросы CO2 — использовать прямой захват воздуха (DAC). Прямой захват воздуха — это технология, которая отделяет углекислый газ от воздуха для создания экономически необходимых продуктов, таких как сельскохозяйственная продукция, строительные материалы, топливо, пластмассы и химикаты. DAC также позволяют секвестрировать -- способность хранить CO2 для конструктивных целей -- превращая его из угрозы в возможность.
Преимущества аддитивного производства
Для удаления углерода из атмосферы требуется система фильтров, теплообменников, конденсаторов, газоотделителей и компрессоров. Многие из этих сложных деталей требуют геометрии, которая хорошо подходит для аддитивного производства, которое является более эффективным и потенциально более рентабельным, чем традиционные методы производства, и обеспечивает существенную производительность устройств DAC и экономические преимущества:
Оптимизация конструкции для повышения энергоэффективности. Когда мы применяем возможности оптимизации конструкции аддитивного производства к этим системам улавливания и утилизации углерода, у нас есть потенциал значительно повысить производительность и эффективность, приближаясь к потерям энергии.
Свобода дизайна. Быстрое изготовление прототипов позволяет создавать новые структуры, необходимые для эффективного улавливания и обработки атмосферного углерода и его использования для чего-то полезного.
производительность. Он может производить ряд сплавов с высокой термостойкостью, коррозионной стойкостью и высокой теплопроводностью.
Расширяемость. Быстрая доставка с масштабируемым производством для удовлетворения высокого спроса на оборудование в полевых условиях.
Эффективность цепочки поставок. Интеграция компонентов и общий дизайн позволяют оптимизировать качество и цепочку поставок. Мы не можем игнорировать углеродный след использования нескольких поставщиков по всей стране для производства одного компонента.
Аддитивное производство отвечает всем требованиям, предъявляемым к производству таких реакторов, и позволяет применять их для решения различных задач по улавливанию углерода.
Микротурбинное оборудование
Микротурбины — новая технология в различных отраслях, в том числе в электроэнергетике. Они дают возможность обеспечить эффективную подачу газа и жидкости под высоким давлением в небольшом форм-факторе с минимальным энергетическим/углеродным следом. Эффективность улавливания углерода очень похожа на эффективность общего производства электроэнергии и зависит от производства и затрат энергии.
Высокая производительность, надежное сжатие воздуха и стабильность давления в системе имеют решающее значение для функционирования систем улавливания углерода сейчас и, что более важно, в будущем. По мере того, как промышленные системы улавливания углерода переходят на коммерческие установки и распределенное производство и эксплуатацию, становится еще более важным использовать новую технологию компактных турбин для обеспечения высокоэффективных мелкомасштабных операций.
Mмеханический фильтр
Ключевая часть улавливания углерода заключается в том, чтобы сначала «уловить» углерод структурированными механическими фильтрами, обычно покрытыми аминами, притягивающими углерод. Воздух всасывается в систему через первую ступень, которая представляет собой ступень «прямого контакта с воздухом». Эффективность фильтра, который непосредственно контактирует с воздухом, может быть повышена за счет конструкции фильтра, обеспечивающей максимальный контакт между поступающим воздухом и поверхностью фильтра. Аддитивное производство позволяет создать функциональный дизайн этого фильтра, который может вызывать высокий уровень турбулентности и перемешивания, а также большую площадь поверхности для максимального контакта с воздухом.
Hесть обменник
Потеря тепла является распространенной проблемой при улавливании углерода. Углерод, захваченный на первой ступени прямого контакта с воздухом, должен быть эвакуирован из механического фильтра на последующую стадию очистки. Во многих вариантах технологии это достигается за счет высвобождения угля из фильтра паром под давлением. Теплообменники могут использоваться для отвода остаточного тепла от процесса производства пара и, чаще всего, ниже по потоку для снижения температуры богатого углеродом пара, выходящего из ступени фильтрации. Кроме того, новые стратегии теплообмена в сочетании с последующими этапами дистилляции и очистки поддерживают постоянную температуру процесса для поддержания химических реакций и получения выходных углеродных продуктов.
Пластина рассеивателя
Диффузорные пластины обычно используются в химической обработке, чтобы взять объем газа или жидкости и смешать его. Жидкостная диффузия работает как концепция коллимации света, которая берет источник света и организует энергию таким образом, что свет рассеивается по параллельным путям луча. Пластина диффузора очень похожа на разбрызгивающую головку садового шланга, она будет направлять хаотичную жидкость в структурированный однородный поток. Пластины для диффузии жидкости являются важной частью технологического стека, обеспечивающей равномерный поток и обработку жидкостей, богатых углеродом, по мере их прохождения.
Аддитивное производство позволяет диффузорным пластинам большого объема обеспечивать высокоэффективное диспергирование жидкости, в первую очередь за счет сложности конструкции реализации форм диффузорных пластин, а также форм диффузорных сопел. Заимствуя концепции из конструкции топливных форсунок аэрокосмической промышленности и спринклеров капитального полупроводникового оборудования, диффузорные пластины, изготовленные аддитивным способом, могут быть изготовлены в 20 раз быстрее, чем чистая механическая обработка.
Кулеры и перегонные аппараты
Богатый углеродом продукт, выходящий из стадии фильтрации, может считаться «грязным» и требует дальнейшей обработки, прежде чем его можно будет использовать. Эта переработка грязного углерода может выполняться вне автономной системы, но это означает, что больше углерода образуется во время логистики сбора и транспортировки грязных углеродных продуктов на предприятия вторичной переработки. Наиболее ценные и многообещающие системы улавливания углерода имеют некоторую степень интегрированной переработки грязных углеродных продуктов, так что продукция системы улавливания углерода включает чистые пригодные для использования углеродные продукты и безопасные побочные продукты на водной основе.
Башни нефтеперегонного завода, включающие дистилляторы и теплообменники со встроенным охлаждением, традиционно относительно сложны в сборке, с десятками корпусов и ступеней из листового металла (до сотен ярдов колен), а также десятками фланцев, фитингов, коллекторов, которые могут быть обработанные или литые. Все это необходимо добывать и собирать, что еще больше увеличивает коллективный выброс углерода и загрязнение от простого изготовления деталей и их сборки.
Аддитивное производство позволяет интегрировать широкий спектр компонентов и общий дизайн, что обеспечивает значительную интеграцию и оптимизацию цепочки поставок. Это также позволяет создавать эффективные конструкции, ориентированные прежде всего на функциональность, которые ускоряют стадию финишной обработки и обеспечивают большую производительность в меньшем форм-факторе.
Коллекторы (жидкость, газ и пар)
Улавливание углерода — это химический процесс, который включает в себя сочетание жидкостей и газов с химией, температурой и давлением. Коллекторы имеют множество применений для улавливания углерода: от подачи химикатов в технологические камеры до эффективного распределения хладагента по активным компонентам охлаждения, таким как теплообменники, и общим применениям распределения газа. Что делает производство этих деталей сложным, так это не требование химической стойкости или специальных материалов аэрокосмического класса, а необходимость поддерживать выравнивание давления на многих ответвлениях и даже перекачивать жидкости через технологическую камеру. Эффективное разветвление «один ко многим» и равномерный поток жидкости в сочетании с ограничениями по пространству и сборке — это геометрическая проблема, в которой аддитивное производство имеет уникальные преимущества, и в настоящее время эту технологию внедряют в аэрокосмической, оборонной и полупроводниковой промышленности. .
Возможность того, что в будущем нам станет легче дышать
Прямое улавливание и очистка воздуха являются ключевыми технологиями для снижения уровня углерода в атмосфере, а аддитивное производство в настоящее время делает эту технологию значительно более эффективной. В связи с этим главный руководитель отдела решений 3D Systems сказал: «3D Systems и AirCapture прошли долгий путь в своем сотрудничестве, используя аддитивное производство для быстрой итерации и создания производственных компонентов. Высокоэффективная геометрия, примененная к технологическому стеку, и увеличение теплообмена повысить эффективность при одновременном уменьшении форм-фактора и занимаемой площади, что упрощает установку и, в конечном счете, расширение технологии. Благодаря дальнейшему внедрению передовых технологий производства и инструментов проектирования, мы считаем, что легче понять, что климат может оставаться комфортным и пригодным для жизни для будущих поколений».