3D-печать расширяет возможности возобновляемой энергетики

Природные ресурсы Земли не безграничны, и поиск альтернатив активизируется. Ископаемые виды топлива, такие как уголь, природный газ, пропан и другие решения на основе углерода, сопряжены со значительными трудностями, включая волатильность как цен, так и доступности. Исторически так называемые события «черного лебедя», в том числе вторжение на Украину, вызывали массовые колебания цен на продукты, от которых зависят промышленность и потребители. Кроме того, существуют вездесущие проблемы парниковых газов и других загрязнителей, связанные со сжиганием ископаемого топлива.

И предприятия, и потребители все чаще ищут отечественные решения, обеспечивающие стабильность цен и доступности. Для более крупных компаний, особенно коммунальных предприятий, геотермальная энергия может быть одним из таких ответов. Геотермальные системы, получившие название «солнце под нашими ногами», используют экстремальное тепло земли, чтобы вращать турбины и вырабатывать чистую и надежную электроэнергию. Хотя вам нужно идти глубоко — очень глубоко — чтобы добраться до слоев, которые обеспечивают достаточно тепла для вращения турбин, преимущества очевидны: геотермальные источники стабильны и не подвержены влиянию политических и экономических потрясений.

Понимая это, Министерство энергетики (DoE) учредило в 2020 году Премию геотермального производства американского производства, которая предлагает более 4,6 миллиона долларов на активизацию исследований этого возобновляемого ресурса с упором на аддитивное производство (AM) или 3D-печать, чтобы переместить поле вперед. В 2022 году компания Downhole Emerging Technologies (DET) из Хьюстона получила один из двух главных призов в размере 500 000 долларов США за разработку новой формы пакерной системы — важнейшего элемента, регулирующего поток тепла и пара в геотермальных скважинах. Это достижение было бы невозможно без AM.

Следует помнить одну вещь: Земля на таких глубинах совсем не гостеприимна. Между экстремальными температурами, достигающими 700 ° F (371 ° C) — достаточной для плавления некоторых металлов, — и высококоррозионной средой, вам необходимо найти подходящие материалы и геометрию деталей, чтобы выдержать такое злоупотребление. Это требует моделирования, тестирования и итераций для определения эффективности каждой части.

Основатели DET Кен Хавлинек и Тингджи «Ти Джей» Тан много лет работали в нефтегазовой отрасли. Поскольку скважины в этих целях более мелкие, их пакеры обычно изготавливаются из резины или пластика — материалов, которые плавятся под воздействием тепла глубокой Земли. Для этого конкурса партнеры применили свои знания в области геотермальной энергии и разработали элегантное решение и новую задачу для 3D-печати.

Раньше некоторые из этих деталей могли быть изготовлены с использованием станков с ЧПУ или литья под давлением. Хотя обе модели производят выдающиеся детали, процесс настройки конструкции для достижения желаемых результатов более сложен. При формовке необходимо для каждой итерации изготавливать новый инструмент (форму), что требует много времени и средств.

После тщательной оценки в DET решили, что некоторые детали, включая упаковщик, можно будет распечатать. Печать имела смысл еще и потому, что времени было мало. Сроки были неизбежны, а 3D-печать давала возможность быстро повторять и улучшать конструкции деталей. Будучи ветераном нефтегазовой отрасли, Хавлинек признался, что изначально AM и в голову не пришло изготовить пакер и некоторые другие детали, но награда DOT помогла ему по-новому взглянуть на свои идеи.

«Как и я, эксперты, работающие над этими геотермальными проблемами, не обязательно ценят или понимают ценность, которую может принести аддитивное производство», — признал Хавлинек. Благодаря быстрым советам Protolabs по проектированию и производству компания DET смогла экспериментировать с несколькими материалами, корректировать геометрию и видеть результаты в течение нескольких дней.

Было ясно, что детали должны быть изготовлены из металла. Ничто другое не выживет в перегретой, коррозийной подземной среде. Это означало использование прямого лазерного спекания металла (DMLS), процесса печати, в котором порошкообразные металлы используются в качестве основного материала для создания детали слой за слоем, сваривая крошечные зерна металлического порошка вместе с помощью мощного лазера. По сути, лазер рисует деталь в слое порошка до тех пор, пока не будут сформированы все слои и деталь не будет завершена.