Серия интервью 3D Printing Industry, посвященная низкоуглеродному производству электроэнергии вместе с 3D-печатью и возобновляемыми источниками энергии, продолжается углубленным рассмотрением потенциала аддитивного производства в секторе экологически чистой водородной энергетики.
По словам Альберта Таранкона из Каталонского института энергетических исследований, превращение водорода в прибыль станет «поворотным моментом для массового развертывания водородной экономики», чему будет способствовать «огромный» потенциал функциональных материалов для 3D-печати в секторе водородной энергетики.
Более подробно погружаясь в этот развивающийся энергетический сектор, Таранкун поделился со мной своими мыслями о том, как 3D-печать может помочь превратить концепцию водородной экономики из концепции в реальность.
По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), к 2050 году водород будет составлять 12% мирового энергопотребления. Агентство также считает, что зеленый водород может значительно нарушить мировую торговлю и двусторонние энергетические отношения и даже привести к появлению геополитического влияния в будущем.
Водород — это чистое топливо, которое при сжигании в топливном элементе производит только воду. Водород можно производить из различных внутренних ресурсов, таких как природный газ, ядерная энергия, биомасса и возобновляемые источники энергии, что делает его привлекательным вариантом топлива для производства электроэнергии. Однако сегодня водородное топливо чаще всего производится с помощью методов риформинга природного газа и электролиза.
Хотя водородное топливо из возобновляемых источников предлагает большие перспективы для будущего производства чистой энергии с точки зрения его экологических характеристик, оно дорого и не является самым безопасным источником энергии из-за его высокой воспламеняемости. Кроме того, стоит отметить, что не все методы производства водорода являются «чистыми» — водород, произведенный из возобновляемых источников, называется «зеленым водородом» и все еще находится в зачаточном состоянии.
Несмотря на эти недостатки, Таранкон считает, что водород «безусловно» является одной из ключевых технологий устойчивого будущего.
«Водород представляет собой надежный вектор энергии для хранения прерывистых возобновляемых источников энергии в качестве химического энергоносителя, который легко транспортировать и обрабатывать», — говорит он. «Основное преимущество водорода заключается в том, что его можно хранить и он обладает высокой удельной энергией, что позволяет использовать его в неэлектризуемых секторах, таких как большегрузный транспорт или отрасли с интенсивным потреблением энергии, такие как химическая, нефтеперерабатывающая, металлургическая и сталелитейная промышленность.
Однако он отмечает, что «одним из недостатков являются большие инвестиции, необходимые для развития сети трубопроводов с чистым водородом». Из-за этого генерация на месте или закачка водорода в сети природного газа в настоящее время считаются альтернативными решениями.
В 2020 году 3D-печать и зеленый водород были названы Lux Research в числе 12 новых технологий, за которыми стоит следить. В годовом отчете указаны основные технологические инновации, которые окажут наибольшее влияние в течение следующего десятилетия, на основе данных о патентах, научных статьях и финансировании в сочетании с экспертным мнением аналитической группы Lux.
Две технологии ранее были объединены для производства инновационного катализатора производства водорода, который, как утверждается, в 20 раз эффективнее других существующих в настоящее время. Катализатор, изготовленный Корейским передовым институтом науки и технологий (KAIST) и Корейским институтом науки и технологий (KIST), может стать основой более экономичного метода производства водорода в будущем.
Лидеры аддитивного производства также признали будущие возможности 3D-печати, чтобы стать лидером в растущей гонке за поиском устойчивых технологий, способных производить чистый водород в достаточно больших масштабах, чтобы удовлетворить текущие и будущие потребности промышленности.
В сфере водородной энергетики энергетические устройства на основе электрокерамики, такие как твердое оксидное топливо и электролизеры, являются многообещающими кандидатами на получение выгоды от 3D-печати, поскольку эта технология может обеспечить сложные геометрии и новые функции, которые преодолевают ограничения существующих производственных технологий.
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) представляют собой генераторы энергии с нулевым уровнем выбросов, способные преобразовывать водород в электричество с высокой эффективностью, а также могут работать в реверсивном режиме в качестве накопителей энергии, способных производить хранимый водород из электричества и воды.
Таранкон и его коллеги сосредоточили внимание на этой области в своей статье «3D-печать следующего поколения усовершенствованных твердооксидных топливных и электролизных элементов», опубликованной в журнале Королевского химического общества в 2020 году. В соавторстве с исследованием выступил А. Пеше. , А. Хорнес, М. Нуньес, А. Мората, М. Торрелл и А. Тарансон.
Команда успешно напечатала на 3D-принтере новое семейство высокопроизводительных ТОТЭ на электролитной основе с использованием технологии SLA, которая продемонстрировала 57-процентное увеличение производительности в режимах топливных элементов и соэлектролиза.
ТОТЭ, напечатанные на 3D-принтере, были изготовлены с гофрированной архитектурой, которая увеличила их активную площадь примерно на 60 процентов по сравнению с традиционным плоским (2D) аналогом, напечатанным на 3D-принтере. Эта архитектура была первым примером широкого диапазона печатаемых геометрий, которые можно было изготовить с помощью подхода керамической 3D-печати, и доказала преимущество технологии в улучшении общей производительности ТОТЭ.
Для Tarancon потенциал 3D-печати функциональных материалов «огромен» не только в водородном секторе, но и во многих других.
«В частности, большинство приложений в области энергетики выиграют от специальных функций, доступных только с помощью 3D-печати, таких как увеличение активных площадей, архитектуры с высокой удельной энергией и мощностью, а также встроенные функции, такие как гидродинамика и сбор тока», — говорит он. «Конечно, все это представляет несправедливые преимущества для повышения производительности, но они должны сочетаться с конкурентоспособной стоимостью.
«В этом отношении 3D-печать избавляет от множества шагов, требующих ручного ввода данных, на существующих производственных объектах и значительно снижает капиталовложения, необходимые для запуска производства на заводах», — добавляет он.
Таранкон и его команда смогли изготовить ТОТЭ с электролитной опорой как плоской архитектуры, так и архитектуры с увеличенной площадью, используя технологии керамической 3D-печати, предлагая улучшенную максимальную плотность мощности, высокую плотность тока и низкую деградацию. Работа считалась первым шагом к созданию ТОТЭ радикально нового поколения с улучшенными характеристиками и сложностью.
«Кроме того, 3D-печать функциональных материалов помогает сэкономить обычно дорогое сырье за счет использования подхода аддитивного производства», — говорит Таранкон. Дальнейший анализ влияния 3D-печати на энергетический сектор можно найти в его недавно выпущенной книге под редакцией профессора Винченцо Эспозито из Датского технического университета (DTU) под названием «3D-печать для энергетических приложений».
После публикации статьи 2020 года Таранкон и его команда продолжали работать над совершенствованием своих ТОТЭ, напечатанных на 3D-принтере.
«Мы движемся в нескольких направлениях, — объясняет он. «Самое интересное, вероятно, столкнуться с проблемой увеличения активной площади клеток с 2x2 см в нашей исходной статье до значений более 100 см в квадрате. Эти ячейки большой площади, несомненно, необходимы для разработки коммерческих электролизеров на основе ячеек, напечатанных на 3D-принтере. Более того, мы разрабатываем весь производственный процесс для массового производства и массовой настройки ячеек и стеков».
Фактически, Таранкон говорит, что керамическая 3D-печать открыла «новый мир» архитектур и конфигураций, которые никогда раньше не исследовались. «Поэтому мы постоянно совершенствуемся в прорывных подходах, таких как монолитные стеки, конструкции, устойчивые к тепловому удару, и сложные геометрические формы с высоким соотношением сторон», — добавляет он.
Генеральный директор IRENA Франческо Ла Камера назвал водород потенциальным «недостающим звеном» к экологически безопасному энергетическому будущему. Однако стоит отметить, что водород сам по себе не является «новой нефтью», а именно зеленый водород, полученный из возобновляемых источников, принесет наиболее значительные экологические преимущества.
Таранкон придерживается того же мнения и считает, что будущее водородного сектора выглядит многообещающе, если можно доказать его прибыльность как для промышленности, так и для правительства.
«За последние несколько лет водородный сектор рос очень быстро, в основном из-за значительного снижения стоимости возобновляемой электроэнергии — половина конечной цены произведенного водорода — и масштабирования технологий электролиза», — говорит он. «Ожидается, что внедрение водородных технологий в следующем десятилетии будет расти в геометрической прогрессии, особенно благодаря продвижению политики и государственного финансирования.
«ОЖИДАЕТСЯ, ПОСЛЕ ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО ИМПУЛЬСА ОЖИДАЕТСЯ СНИЖЕНИЕ ЗАТРАТ НА ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА ДО МЕНЕЕ ЧЕМ 3 ЕВРО ЗА КГ, ЧТО СДЕЛАЕТ ВОДОРОД ПРИБЫЛЬНЫМ. ЭТО БУДЕТ ПОВОРОТНЫМ ТОЧКОМ ДЛЯ МАСШТАБНОГО РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭКОНОМИКИ».