Серия интервью 3D Printing Industry, посвященная 3D-печати и возобновляемым источникам энергии, обращается к аддитивному производству в секторе ветроэнергетики.

Одной из компаний, впервые внедривших 3D-печать в этой области, является GE Renewable Energy. «Аддитивное производство может привести к резкому изменению затрат и конкурентоспособности производительности в ветроэнергетике», — говорит руководитель передовых производственных технологий GE Renewable Маттео Беллуччи.

Беллуччи делится последними новостями о текущих усилиях GE по повышению эффективности и производительности ветряных турбин с помощью 3D-печати и обсуждает преимущества этой технологии для сектора ветроэнергетики.

В 2020 году ветроэнергетика в США росла рекордными темпами: впервые за несколько лет количество наземных ветровых электростанций превысило количество установок, использующих солнечную энергию. В 2020 году морские офшорные сети страны выросли на 24 процента по сравнению с предыдущим годом. Еще одна заметная новая тенденция связана с повышенным интересом к использованию морского ветра для производства чистого водорода.

Чтобы к 2026 году Европейский союз (ЕС) выполнил свою задачу по добыче 40% возобновляемой энергии, ему необходимо ежегодно устанавливать 32 ГВт новых ветряных электростанций. Учитывая, что в 2021 году из-за проблем с глобальной цепочкой поставок и узких мест в Европе ветряные установки будут составлять всего 17,4 ГВт, есть ли прекрасная возможность для 3D-печати расширить свое распространение в космосе?

 

 

В феврале 2021 года Министерство энергетики США (DoE) наградило GE проектом стоимостью 6,7 млн ​​долларов США для изучения дизайна и производства 3D-печатных лопастей ветряных турбин. Работая вместе с Национальной лабораторией Oak Ridge (ORNL) и Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL), GE стремится повысить конкурентоспособность как наземной, так и морской ветроэнергетики, используя 3D-печать для снижения производственных затрат и повышения гибкости цепочки поставок.

«Были проверены несколько концепций дизайна и процессов, а также новые термопластичные материалы, что позволило лучше понять, как мы собираемся достичь цели по использованию 3D-печати в производстве лопастей вместе с другими передовыми процессами и высокой степенью автоматизации", - говорит Белуччи.

Он объясняет, что наконечники лопастей турбин, изготовленные с использованием 3D-печати и термопластичных композитов, будут иметь несколько преимуществ, в том числе они легче, чем аналоги, изготовленные традиционным способом. Облегчение позволяет более крупным роторам на турбинах генерировать больше энергии, а также снижает нагрузку на всю турбину, снижает износ ее редукторов, трансмиссий, подшипников и фундамента, а также снижает затраты на жизненный цикл для операторов турбин.

Наконечники лопастей из термопластика, напечатанные на 3D-принтере, также можно расплавить и переработать, когда они достигнут конца срока службы, что является важным аспектом проекта для GE Renewable Energy. Команда также изучает, какие другие части лопатки турбины могут выиграть от технологий 3D-печати и термопластичных материалов, чтобы увеличить время выхода компонента на рынок, качество и устойчивость.

Беллуччи говорит, что 3D-печать не только принесет ветроэнергетическому сектору преимущества в плане затрат и конкурентоспособности, но и «поможет GE Renewable поддержать наших клиентов в ускорении перехода к ветровой энергетике».

В сентябре Fraunhofer IGCV и производитель струйных систем voxeljet объявили, что они будут строить «самый большой в мире» 3D-принтер для ветряных турбин на сегодняшний день. Система, известная как «Усовершенствованная литейная ячейка» (ACC - Advance Casting Cell), создается специально для печати форм, необходимых для литья деталей для морской турбины GE Haliade-X, каждая из которых может весить до 60 тонн.

«Эта программа началась всего несколько месяцев назад, и мы все еще находимся на ранней стадии ее концептуальной разработки», — говорит Беллуччи. «Как мы уже говорили, проект был заключен в конце прошлого года и предназначен для ускорения и оптимизации производства основных литейных компонентов морской турбины GE Haliade-X. В частности, 3D-печать обеспечивает гибкость при производстве крупных компонентов турбин вблизи морских ветровых установок, снижая транспортные расходы и принося пользу окружающей среде».

Беллуччи говорит, что проектная группа в настоящее время собирает детали спецификации для принтера, а затем voxeljet приступит к этапу проектирования проекта, включая механику нового принтера.

 

 

В соответствии с амбициозными целями по сокращению выбросов парниковых газов, энергия ветра стала предметом повышенного внимания для борьбы с глобальным климатическим кризисом. С этой целью проводится значительный объем исследований, направленных на то, чтобы сделать сами ветряные турбины более экологичными.

Например, NREL разработал метод изготовления лопастей ветряных турбин с помощью 3D-печати, который повышает их производительность и возможность вторичной переработки по окончании срока службы, в то время как Университет штата Мэн работает над экологически безопасным процессом 3D-печати форм для лопастей турбин, финансируемым за 2,8 млн. долларов США федерального финансирования. В другом месте инженеры из Университета Макгилла и Университета Райерсона работают над преобразованием отходов лопастей ветряных турбин в новый материал PLA для 3D-печати деталей, армированных волокном.

Что касается GE, «технология 3D-печати уже созрела, помогая нам с инструментами для малых и крупных компонентов и быстрым прототипированием, что оказывает прямое и непосредственное влияние на эффективность наших заводских операций», — говорит Беллуччи. «Чтобы использовать 3D-печать непосредственно в наших продуктах, всё равно потребуется некоторое время, но потенциал очень революционный, и мы активно изучаем различные варианты его использования».

Глядя на весь портфель регенеративной энергии, помимо ветра, Беллуччи говорит, что GE считает все традиционные преимущества 3D-печати актуальными в зависимости от варианта использования. Эти преимущества включают время выхода на рынок, 3D-печать форм для отливок, более устойчивые, локальные и гибкие цепочки поставок, а также более стабильное качество, обусловленное, прежде всего, автоматизированным и цифровым характером технологии.

«Кроме того, 3D-печать открывает двери для более эффективных конструкций, которые можно настроить для конкретных мест и приложений», — продолжает он. «Например, в то время как стандартная конструкция ветряной турбины на данном участке может предусматривать башни высотой 90 метров, более подробный анализ на месте может показать, что на одном конкретном участке ветряной электростанции башни высотой 120 метров составляют больше смысла.

«В ЭТОМ СЛУЧАЕ МЫ МОЖЕМ НАПЕЧАТАТЬ КОМПОНЕНТЫ 30-МЕТРОВОЙ БАШНИ НА МЕСТЕ, ЧТОБЫ ДОБАВИТЬ К СУЩЕСТВУЮЩЕМУ СТАНДАРТНОМУ 90-МЕТРОВОМУ ОСНОВАНИЮ, ЧТОБЫ ПОЛУЧИТЬ ОПТИМАЛЬНУЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ».

По словам Беллуччи, этот подход более устойчив, чем существующие практики, по двум причинам. Это не только максимизирует общее количество чистой возобновляемой энергии, которая может быть произведена, но также снизит углеродный след проекта за счет сокращения количества деталей, которые необходимо производить и транспортировать на большие расстояния.

 

 

Беллуччи считает, что 3D-печать помогает GE Renewable Energy и более широкому энергетическому сектору во многих отношениях ускорить переход к более чистой выработке энергии.

«Как правило, это менее энергоёмкий производственный процесс, при котором образуется меньше отходов», — говорит он. «Например, 3D-печать позволит исследовать новые методы проектирования с использованием таких инструментов, как оптимизация топологии, которая представляет собой подход к проектированию, который позволяет нашим инженерам экспериментировать с несколькими проектами, чтобы найти наиболее эффективное и экономичное решение для данной задачи. В результате наши команды могут использовать детали, производство которых требует меньше энергии и меньше отходов».

Беллуччи также указывает на потенциал этой технологии для упрощения процессов сборки и логистики, что помогает уменьшить углеродный след компании.

«3D-печать может позволить нам изучить способы улучшения конструкции данного компонента путем объединения нескольких различных компонентов в одну деталь», — объясняет он. «Механическая сборка, которая обычно состоит из многих частей, изготовленных как отдельные компоненты, а затем собранных вместе, может быть аддитивно изготовлена ​​как единое целое, с частями, напечатанными и объединенными, даже если геометрия объединенного узла очень сложна».

Аддитивное производство позволяет GE сократить количество деталей, которые необходимо спроектировать и изготовить, тем самым упростив процесс сборки и повысив долговечность и надежность своей продукции. Консолидация способствует более эффективному процессу разборки по окончании срока службы, что повышает возможность возврата материалов и цикличность.

«3D-печать также упростит включение переработанных материалов и потоков вторичных материалов в наши проекты», — добавляет Беллуччи. «Например, мы изучаем способы использования материалов, которые будут производиться при переработке лопастей выведенных из эксплуатации ветряных турбин, когда мы печатаем на 3D-принтере башни для новых турбин, эффективно взаимодействуя с двумя многообещающими партнерскими отношениями, которые у нас есть с Holcim.

«ТАКЖЕ МЫ ИССЛЕДУЕМ СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 3D-ПЕЧАТИ В КОМБИНАЦИИ С ТЕРМОПЛАСТИЧНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ ДЛЯ НОВЫХ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРЯНЫХ ТУРБИН, ПОДДЕРЖИВАЕМЫХ Министерством обороны США».

В сочетании эти инновации в области 3D-печати могут значительно сократить количество материалов, необходимых для производства новых ветряных турбин. По словам Беллуччи, недавний анализ оценки жизненного цикла (LCA) показал, что такие передовые производственные процессы потенциально могут снизить выбросы парниковых газов на целых 15 процентов при производстве крупных отливок на вершине башни. Оценка жизненного цикла также показала, что передовые производственные технологии могут сократить выбросы парниковых газов на 10 процентов при изготовлении законцовок лопаток и на 25 процентов при изготовлении высоких башен турбин.

«В будущем мы продолжим сотрудничать с клиентами и другими отраслевыми партнерами в разработке инновационных технологий, которые помогают ускорить переход к энергетике таким образом, чтобы это соответствовало нашему стремлению использовать устойчивую замкнутую конструкцию для максимизации экологических преимуществ для всех заинтересованных сторон» – заключил Белуччи.

 

Источник: https://3dprintingindustry.com/news/powering-the-renewable-energy-transition-with-3d-printing-wind-205254/