Nu, meer dan 20 jaar in de 21e eeuw, neemt het belang van de aanpak van klimaatverandering toe. Zoals voorgesteld door de UN Net Zero Coalition: De Overeenkomst van Parijs in 2050 benadrukt de noodzaak van aanzienlijke emissiereducties binnen tien jaar om de opwarming van de aarde onder de 1,5 graad te houden en een leefbaar klimaat te garanderen. Om dit te bereiken, bouwen zware industriële fabrikanten in hoog tempo bedrijven op en investeren ze fors, terwijl tech-startups nieuwe oplossingen creëren. Ondanks de investeringen van industriële fabrikanten om het probleem op te lossen en het creëren van nieuwe oplossingen door nieuwe technologiebedrijven, blijft het wereldwijde doel onvervuld.
De kern van het afvangen van koolstof zijn enkele relatief eenvoudige chemische reacties. Elk systeem voor het opvangen en regenereren van koolstof moet uiterst efficiënt werken om ervoor te zorgen dat het geen problemen verergert door koolstofrijke brandstoffen te verbruiken of meer koolstof in de atmosfeer uit te stoten. Met andere woorden, we moeten zoveel mogelijk koolstof vastleggen terwijl we veel minder koolstof gebruiken om de reactie te genereren dan wordt opgevangen. Idealiter is het doel om nulkoolstofinput in te ruilen voor onbeperkte koolstofterugwinning als output.
Om dit probleem op te lossen is CO2-negatieve infrastructuur nodig. De meest efficiënte, effectieve en schaalbare manier om de CO2-uitstoot te helpen verminderen, is het gebruik van directe luchtafvang (DAC). Directe luchtafvang is een technologie die koolstofdioxide uit de lucht scheidt om economisch noodzakelijke producten te creëren - zoals landbouwproducten, bouwmaterialen, brandstoffen, kunststoffen en chemicaliën. DAC's maken ook sekwestratie mogelijk -- de mogelijkheid om CO2 op te slaan voor constructieve doeleinden -- waardoor het van een bedreiging in een kans verandert.
De voordelen van additieve productie
Het verwijderen van koolstof uit de atmosfeer vereist een systeem van filters, warmtewisselaars, condensors, gasafscheiders en compressoren. Veel van deze complexe onderdelen vereisen geometrieën die zeer geschikt zijn voor additive manufacturing, wat efficiënter en potentieel kosteneffectiever is dan traditionele productiemethoden, en substantiële prestaties voor DAC-apparaten en economische voordelen oplevert:
Ontwerpoptimalisatie voor energie-efficiëntie. Wanneer we de ontwerpoptimalisatiemogelijkheden van additieve fabricage toepassen op deze systemen voor het opvangen en gebruiken van koolstof, hebben we het potentieel om de prestaties en efficiëntie drastisch te verhogen, waarbij energieverlies wordt benaderd.
Ontwerp vrijheid. Rapid prototyping-productie maakt ontwerpen vrij om de nieuwe structuren tot uitdrukking te brengen die nodig zijn om atmosferisch koolstof efficiënt op te vangen en te verwerken en het te gebruiken om iets nuttigs te doen.
prestatie. Het kan een reeks legeringen produceren met weerstand tegen hoge temperaturen, corrosieweerstand en hoge thermische geleidbaarheid.
Uitbreidbaarheid. Snel geleverd met schaalbare productie om de grote vraag naar apparatuur in het veld te ondersteunen.
Efficiëntie van de toeleveringsketen. Door de integratie van componenten en het algehele ontwerp kunnen de kwaliteit en de toeleveringsketen worden gestroomlijnd. We kunnen niet voorbijgaan aan de ecologische voetafdruk van het gebruik van meerdere leveranciers in het hele land om een enkel onderdeel te produceren.
Additive manufacturing voldoet aan alle vereisten voor de productie van dergelijke reactoren en maakt toepassingen mogelijk die inspelen op verschillende behoeften aan koolstofafvang.
Apparatuur voor microturbines
Microturbines zijn een opkomende technologie in verschillende industrieën, waaronder energieopwekking. Ze bieden de mogelijkheid om onder hoge druk efficiënte gas- en vloeistoflevering te leveren in een kleine vormfactor met een minimale energie-/koolstofvoetafdruk. De efficiëntie van koolstofafvang is vergelijkbaar met die van algemene elektriciteitsopwekking en is een functie van productie en energie-input.
Hoge prestaties, betrouwbare luchtcompressie en stabiliteit van de systeemdruk zijn van cruciaal belang voor het functioneren van koolstofafvangsystemen, nu en, belangrijker nog, in de toekomst. Naarmate industriële koolstofafvangsystemen evolueren naar meer commerciële eenheden en gedistribueerde productie en exploitatie, is het nog belangrijker om nieuwe, compacte turbinetechnologie te gebruiken om zeer efficiënte, kleinschalige operaties mogelijk te maken.
Mmechanische filter
Een belangrijk onderdeel van het afvangen van koolstof is om eerst de koolstof te "vangen" met gestructureerde mechanische filters, meestal bedekt met koolstofaantrekkende amines. Lucht wordt in het systeem gezogen via de eerste trap, de trap "direct luchtcontact". De efficiëntie van een filter dat direct in contact staat met de lucht kan worden gemaximaliseerd door een filterstructuur die maximaal contact tussen de binnenkomende lucht en het filteroppervlak mogelijk maakt. Additieve fabricage zorgt voor een functioneel ontwerp van dit filter dat hoge turbulentie en menging kan veroorzaken, evenals een groot oppervlak voor maximaal luchtcontact.
Heet wisselaar
Warmteverlies is een veelvoorkomend probleem bij het afvangen van koolstof. Koolstof die in de eerste fase met direct luchtcontact wordt opgevangen, moet van het mechanische filter naar de stroomafwaartse raffinagefase worden afgevoerd. In veel uitvoeringsvormen van de technologie wordt dit bereikt door de koolstof uit het filter te halen met stoom onder druk. Warmtewisselaars kunnen worden gebruikt om restwarmte uit het stoomopwekkingsproces te verwijderen en vaker stroomafwaarts om de temperatuur van de koolstofrijke stoom die de filtertrap verlaat te verlagen. Bovendien houden nieuwe strategieën voor warmtewisseling in combinatie met stroomafwaartse destillatie- en raffinagestappen het proces op een constante temperatuur om chemische reacties in stand te houden en koolstofoutputproducten te produceren.
Diffusor plaat
Diffusorplaten worden vaak gebruikt bij chemische verwerking om een hoeveelheid gas of vloeistof te nemen en te mengen. Vloeistofdiffusie werkt als het concept van lichtcollimatie, waarbij een lichtbron wordt gebruikt en de energie zodanig wordt georganiseerd dat het licht zich in parallelle bundelpaden verspreidt. Een diffusorplaat lijkt erg op de sproeikop van een tuinslang, het zal de chaotische vloeistof in een gestructureerde uniforme stroom laten stromen. Vloeistofdiffusieplaten zijn een belangrijk onderdeel van de processtapel om een uniforme stroom en behandeling van koolstofrijke vloeistoffen te garanderen terwijl ze er doorheen stromen.
Door additieve productie kunnen diffusorplaten met groot volume een zeer efficiënte vloeistofdispersie bieden, voornamelijk door de ontwerpcomplexiteit van het implementeren van diffusorplaatvormen, maar ook diffusormondstukvormen. Door concepten te lenen van het ontwerp van brandstofmondstukken voor de ruimtevaart en sprinklertoepassingen voor halfgeleiderkapitaalapparatuur, kunnen additief vervaardigde diffusorplaten 20 keer sneller worden vervaardigd dan pure machinale bewerking.
Koelers en stills
Het koolstofrijke product dat uit de filtratiefase komt, kan als "vuil" worden beschouwd en moet verder worden verwerkt voordat het kan worden gebruikt. Deze opwerking van vuile koolstof kan buiten een op zichzelf staand systeem worden uitgevoerd, maar het betekent dat er meer koolstof wordt gegenereerd tijdens de logistiek van het verzamelen en transporteren van vuile koolstofproducten naar secundaire opwerkingsfaciliteiten. De meest waardevolle en veelbelovende koolstofafvangsystemen hebben een zekere mate van geïntegreerde herverwerking van vuile koolstofproducten, zodat de output van het koolstofafvangsysteem schone bruikbare koolstofproducten en veilige bijproducten op waterbasis omvat.
Raffinaderijtorens, inclusief stills en warmtewisselaars met geïntegreerde koeling, zijn traditioneel relatief complex om te assembleren, met tientallen plaatmetalen schalen en trappen (tot honderden meters ellebogen), evenals tientallen flenzen, fittingen, spruitstukken, kunnen worden bewerkt of gegoten. Dit alles moet worden aangekocht en geassembleerd, waardoor de collectieve koolstofoutput en de vervuiling verder toenemen door alleen de onderdelen te maken en te monteren.
Additive manufacturing maakt een breed scala aan componentintegratie en algeheel ontwerp mogelijk, wat een aanzienlijke integratie en stroomlijning van de supply chain mogelijk maakt. Het maakt ook functionele, efficiënte ontwerpen mogelijk die de afwerkingsfase versnellen en meer output leveren in een kleinere vormfactor.
Spruitstukken (vloeistof, gas en stoom)
Koolstofafvang is een chemisch proces waarbij vloeistoffen en gassen worden gecombineerd met chemie, temperatuur en druk. Spruitstukken hebben veel toepassingen bij het afvangen van koolstof, van het leveren van chemicaliën aan proceskamers tot het efficiënt distribueren van koelvloeistof naar actieve koelcomponenten zoals warmtewisselaars en algemene gasdistributietoepassingen. Wat de productie van deze onderdelen uitdagend maakt, is niet de vereiste van chemische bestendigheid of speciale materialen van ruimtevaartkwaliteit, maar de noodzaak om drukvereffening op de vele aftakleidingen te handhaven en zelfs vloeistoffen door de proceskamer te transporteren. Efficiënte één-op-veel vertakkingen en uniforme vloeistofstroom, gekoppeld aan ruimte- en montagebeperkingen, is een geometrisch probleem waar additieve fabricage unieke voordelen heeft, en de lucht- en ruimtevaart-, defensie- en halfgeleiderindustrieën nu de technologie overnemen. De wijdverbreide acceptatie is het bewijs .
De mogelijkheid dat we in de toekomst gemakkelijker kunnen ademen
Directe luchtafvang en raffinage zijn sleuteltechnologieën voor het verbeteren van het koolstofgehalte in de atmosfeer, en additieve fabricage maakt de technologie momenteel aanzienlijk efficiënter. In dit verband zei de Principal Solutions Leader van 3D Systems: "3D Systems en AirCapture hebben een lange weg afgelegd in hun samenwerking door gebruik te maken van additieve fabricage om snel te herhalen en produceerbare componenten te creëren. Zeer efficiënte geometrieën toegepast op de processtapel en warmte-uitwisseling nemen toe efficiëntie te behalen en tegelijkertijd de vormfactor en de voetafdruk te verkleinen, waardoor de technologie eenvoudig te installeren en uiteindelijk uit te breiden is. Met de verdere toepassing van geavanceerde productietechnieken en ontwerptools, geloven we dat het gemakkelijker is om te begrijpen dat het klimaat nog steeds comfortabel en leefbaar kan zijn voor toekomstige generaties. "