Additive Fertigung ist der Schlüssel zur Zukunft der Energie

Der Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen (THG) ist angesichts des steigenden Energiebedarfs der Gesellschaft höher denn je. Aber es ist noch nicht möglich, fossile Brennstoffe aufzugeben und sofort auf erneuerbare Energien umzusteigen. Die additive Fertigung ist eine Technologie, die das Potenzial hat, die Entwicklung und den Einsatz innovativer Energielösungen auf dem Weg in eine kohlenstofffreie Zukunft zu beschleunigen.

Auch wenn nachhaltige Energie die fossilen Brennstoffe nicht sofort ersetzen kann, so gibt es doch zahlreiche bemerkenswerte Fortschritte, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und dazu beitragen, die Grundlage für eine weniger kohlenstoffhaltige" Welt zu schaffen. Diese reichen von hochmodernen Windkraftanlagen und Technologien zur Kohlenstoffabscheidung bis hin zur Nutzung der Kernfusion als saubere Energie.

Für die Podcast-Miniserie Future of Energy sprachen wir mit Experten aus verschiedenen Teilbereichen der Branche, die alle von den Beiträgen der additiven Fertigung zur grünen Energie begeistert waren. Kurz gesagt, es war eine der faszinierendsten Gesprächsreihen, die wir je führen durften. Lesen Sie weiter, um die wichtigsten Themen der einzelnen Episoden zu erfahren.

Für Teil 1 sprachen wir mit Quan Lac, Siemens Energy VP of Additive Manufacturing, und Pierre Forêt, Linde Head of Additive Manufacturing. Sowohl Forêt als auch Lac erkannten, dass Wasserstoff eine der potenziell kosteneffizientesten Energiequellen ist. Turbinen, die mit konventionellem Erdgas betrieben werden, können teilweise oder ganz auf Wasserstoff umgestellt werden, was beides wesentlich effizienter ist als kohleverbranntes Gas oder Schieferöl.

Die Schwierigkeit, Wasserstoffgas in großen Mengen zu isolieren, ist mit Sicherheit eines der größten Hindernisse für seine allgemeine Nutzung: Elektrolyseure trennen es von Wasser, dann wird es komprimiert und zu einer Turbine geleitet, die Kraftstoff benötigt (oder für eine spätere Verwendung gespeichert). Der größte Elektrolyseur, den es je gab - eine Maschine, mit der Forêt gut vertraut ist, da sein Team sie baut -, hat eine maximale Stromstärke von 24 Megawatt. Es genügt zu sagen, dass diese Leistung nicht ausreicht, um Wasserstoff zu elektrolysieren und Wärme oder Strom (oder beides) in großem Maßstab für Gewerbe und Haushalte bereitzustellen. Wie man sich denken kann, sind diese Bemühungen alles andere als kostengünstig - und das macht es nur noch schwieriger, Wasserstoff zu einer gängigen grünen Energiequelle zu machen.

Sowohl Lac als auch Forêt nutzen die additive Fertigung in verschiedenen Hydrierungsprojekten. Bei Siemens Energy haben Lac und sein Team Brennerbaugruppen, Verbrennungswirbel, Kanäle und andere Teile in 3D gedruckt, die die Luft kühlen und den Brennstoff schneller mischen, so dass die Gasturbinen heißer (und damit effizienter) laufen können. Außerdem entwickeln sie einen Prototyp eines integrierten grünen Energiesystems für eine stillgelegte Fabrik.

In der Zwischenzeit nutzen Forêt und seine Kollegen bei Linde die additive Fertigung, um Teile mit komplexen Geometrien zu entwerfen, die in der konventionellen Fertigung einfach unmöglich sind, was besonders für Wärmemanagementgeräte wie Wärmetauscher, Düsen und Anschlüsse wichtig ist. Forêt merkte an, dass Wasserstoff nicht die endgültige Lösung für saubere Energie sei, aber er werde für die Dekarbonisierung in zahlreichen Anwendungen - von der Stahlherstellung bis zum Flugzeugbau - entscheidend sein.

Jeremy Haight, leitender Ingenieur und führender Spezialist für additive Fertigung und fortschrittliche Konzepte beim Windturbinenhersteller Vestas, erklärte gegenüber Additive Snack, dass sein Unternehmen AM zunächst für den Austausch kleinerer Teile einsetzte. Schließlich gelangte sein Team an einen Punkt, an dem größere Engpässe in der Lieferkette (z. B. infolge der COVID-19-Pandemie) den Fertigungsprozess von Vestas nicht mehr wesentlich verlangsamten. Vestas setzt Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und andere additive Technologien ein, um unter anderem Komponenten für den Antriebsstrang und die Stromerzeugung herzustellen. Haight sagte, dass die additive Fertigung eine vertikale Integration und eine digitalisierte Bestandsaufnahme ermöglicht, wodurch die Konstruktionskosten gesenkt und die Nachhaltigkeitsbemühungen durch die Verringerung des Kohlenstoffausstoßes verstärkt werden.

Stefan McClelland, leitender Maschinenbauingenieur bei ReCarbon, konzentriert sich derweil nicht auf die Vermeidung von Treibhausgasemissionen, sondern auf deren Abscheidung (insbesondere CO2 und Methan) und Umwandlung in sauberen Kraftstoff auf Wasserstoffbasis. Da das entstehende Gas bei einer so hohen Temperatur verbrennt (2.000 Grad Celsius), kann ReCarbon seine patentrechtlich geschützten "Emissionsschaufeln" und andere wichtige Teile nur durch additive Fertigung effizient herstellen. Die komplexen Bauteilgeometrien, die nur die additive Fertigung ermöglicht, erlauben es den ReCarbon-Systemen, den Gasfluss während der Treibhausgasumwandlung zu lenken, ohne hitzebedingte Schäden zu erleiden. McClelland erklärte, ReCarbon sei zwar noch nicht marktreif, aber er sei mit dem Stand der Prototypen zufrieden und sagte unverblümt, dass "wir ohne additive Fertigung aufgeschmissen wären".

Langsam aber sicher verwandelt sich nachhaltige Energie auf Fusionsbasis von einem unmöglichen Traum in eine mögliche Realität - mit Hilfe der additiven Fertigung. Für das Finale von Future of Energy schien es nur passend, Gäste zu engagieren, die auf dieses Ziel hinarbeiten: Jim McNeil, Chief Marketing Officer von TAE, und Vincent Pilard, Senior Mechanical and Product Engineer.

Ähnlich wie bei der Verwendung von Wasserstoffgas hat die Realisierung einer skalierbaren Fusion bei gleichzeitiger Minimierung der Gefahren durch Radioaktivität den Fortschritt stets gebremst. Die Temperaturen in der Sonne, wo die Kernfusion jeden Tag stattfindet, erreichen 15 Millionen Grad Celsius (27 Millionen Fahrenheit). Wie Pilard erläuterte, würde die praktische Nachbildung der Kernfusion auf der Erde Temperaturen zwischen 100 Millionen und 1 Milliarde Celsius erfordern. TAE verwendet eine geschützte Technologie namens Feldumkehrkonfiguration, bei der das Plasma in Magnetfeldern eingeschlossen wird. Die Höchsttemperatur liegt derzeit bei 75 Millionen.

Keiner der TAE-Vertreter spielte herunter, wie komplex die kommerzielle Kernfusion sein wird. Pilard erklärte jedoch, dass sich die additive Fertigung bereits positiv auf ihre Bemühungen ausgewirkt hat und dies auch weiterhin tun wird, beispielsweise bei den aktiven Kühltechnologien: TAE hat eine Kühlkomponente, den so genannten "Beam Dump", völlig neu entwickelt, wodurch sie leichter und flexibler geworden ist und eine größere Kühlleistung erbringen kann. Dies reduziert den Materialverbrauch und fördert die Optimierung der Lieferkette. McNeil fügte hinzu, dass das, was TAE bis jetzt getan hat - auch wenn es noch Generationen von der reinen Fusion entfernt ist - ein perfektes Beispiel dafür ist, wie weit die additive Fertigung in ihrer 40-jährigen Geschichte gekommen ist.

Diese Energiethemen waren unbestreitbar komplex, und die obigen Zusammenfassungen zeigen nur einige der interessantesten Punkte aus jeder Folge. Die vollständigen Geschichten - sowie regelmäßige Gespräche über Anwendungen und Fortschritte in der additiven Fertigung - finden Sie bei Additive Snack, das auf allen wichtigen Podcast-Plattformen verfügbar ist.