Aujourd'hui, plus de 20 ans après le début du XXIe siècle, l'importance de la lutte contre le changement climatique s'accélère. Comme proposé par la UN Net Zero Coalition : L'Accord de Paris 2050 souligne la nécessité de réductions significatives des émissions d'ici une décennie pour maintenir le réchauffement climatique en dessous de 1,5 degré et garantir un climat vivable. Pour y parvenir, les fabricants de l'industrie lourde créent rapidement des entreprises et investissent massivement, tandis que les startups technologiques créent de nouvelles solutions. Malgré les investissements des fabricants industriels pour résoudre le problème et la création de nouvelles solutions par les nouvelles entreprises technologiques, l'objectif global reste insatisfait.
Au cœur de la capture du carbone se trouvent des réactions chimiques relativement simples. Tout système de capture et de régénération du carbone doit fonctionner avec une efficacité extrême pour s'assurer qu'il n'exacerbe pas les problèmes en consommant des carburants à haute teneur en carbone ou en émettant plus de carbone dans l'atmosphère. En d'autres termes, nous devons capturer autant de carbone que possible tout en utilisant beaucoup moins de carbone pour générer la réaction que ce qui est capturé. Idéalement, l'objectif est d'échanger une entrée de carbone zéro contre une récupération illimitée de carbone en tant que sortie.
Pour résoudre ce problème, des infrastructures à bilan carbone négatif sont nécessaires. Le moyen le plus efficace, le plus efficace et le plus évolutif d'aider à réduire les émissions de CO2 consiste à utiliser la capture directe de l'air (DAC). La capture directe de l'air est une technologie qui sépare le dioxyde de carbone de l'air pour créer des produits économiquement nécessaires - tels que des produits agricoles, des matériaux de construction, des carburants, des plastiques et des produits chimiques. Les DAC permettent également la séquestration -- la capacité de stocker le CO2 à des fins constructives -- le transformant d'une menace en une opportunité.
Les avantages de la fabrication additive
L'élimination du carbone de l'atmosphère nécessite un système de filtres, d'échangeurs de chaleur, de condenseurs, de séparateurs de gaz et de compresseurs. Bon nombre de ces pièces complexes nécessitent des géométries bien adaptées à la fabrication additive, qui est plus efficace et potentiellement plus rentable que les méthodes de fabrication traditionnelles, et apporte des performances substantielles aux dispositifs DAC et des avantages économiques :
Optimisation de la conception pour l'efficacité énergétique. Lorsque nous appliquons les capacités d'optimisation de la conception de la fabrication additive à ces systèmes de capture et d'utilisation du carbone, nous avons le potentiel d'augmenter considérablement les performances et l'efficacité, approchant la perte d'énergie.
Liberté de conception. La fabrication de prototypes rapides libère les conceptions pour exprimer les nouvelles structures nécessaires pour capturer et traiter efficacement le carbone atmosphérique et l'utiliser pour faire quelque chose d'utile.
performance. Il peut produire une série d'alliages avec une résistance à haute température, une résistance à la corrosion et une conductivité thermique élevée.
Extensibilité. Livré rapidement avec une fabrication évolutive pour répondre à la forte demande d'équipements sur le terrain.
Efficacité de la chaîne d'approvisionnement. L'intégration des composants et la conception globale permettent de rationaliser la qualité et la chaîne d'approvisionnement. Nous ne pouvons pas ignorer l'empreinte carbone de l'utilisation de plusieurs fournisseurs à travers le pays pour produire un seul composant.
La fabrication additive répond à toutes les exigences pour la production de tels réacteurs et permet des applications répondant à divers besoins de captage du carbone.
Équipement de micro-turbine
Les microturbines sont une technologie émergente dans diverses industries, y compris la production d'électricité. Ils offrent la possibilité de fournir une distribution efficace de gaz et de fluides à haute pression dans un format compact avec une empreinte énergétique/carbone minimale. L'efficacité de la capture du carbone est très similaire à celle de la production d'électricité générale et est fonction de la production et de l'apport d'énergie.
Des performances élevées, une compression d'air fiable et la stabilité de la pression du système sont essentielles au fonctionnement des systèmes de capture du carbone aujourd'hui et, plus important encore, à l'avenir. Alors que les systèmes industriels de capture du carbone évoluent vers des unités plus commerciales et une production et une exploitation distribuées, il est encore plus essentiel d'utiliser une nouvelle technologie de turbine compacte pour permettre des opérations à petite échelle et à haut rendement.
Mfiltre mécanique
Un élément clé de la capture du carbone consiste d'abord à "capturer" le carbone avec des filtres mécaniques structurés, généralement recouverts d'amines attirant le carbone. L'air est aspiré dans le système par la première étape, qui est l'étape de "contact direct avec l'air". L'efficacité d'un filtre qui entre directement en contact avec l'air peut être maximisée par une structure de filtre qui permet un contact maximal entre l'air entrant et la surface du filtre. La fabrication additive permet une conception axée sur la fonction de ce filtre qui peut induire des niveaux élevés de turbulence et de mélange, ainsi qu'une surface élevée pour un contact maximal avec l'air.
Hmanger échangeur
Le gaspillage de chaleur est un problème courant dans la capture du carbone. Le carbone capté au premier étage de contact direct avec l'air doit être évacué du filtre mécanique vers l'étage d'affinage aval. Dans de nombreux modes de réalisation de la technologie, ceci est accompli en libérant le charbon du filtre avec de la vapeur sous pression. Les échangeurs de chaleur peuvent être utilisés pour éliminer la chaleur résiduelle du processus de génération de vapeur et plus communément en aval pour réduire la température de la vapeur riche en carbone quittant l'étage de filtration. De plus, de nouvelles stratégies d'échange de chaleur combinées à des étapes de distillation et de raffinage en aval maintiennent le procédé à une température constante pour entretenir les réactions chimiques et produire des produits carbonés en sortie.
Plaque diffuseur
Les plaques de diffusion sont couramment utilisées dans le traitement chimique pour prélever un volume de gaz ou de liquide et le mélanger. La diffusion de fluide fonctionne comme le concept de collimation de la lumière, qui prend une source lumineuse et organise l'énergie de sorte que la lumière se diffuse dans des trajets de faisceau parallèles. Une plaque de diffusion est très similaire à la tête d'arrosage d'un tuyau d'arrosage, elle fera couler le liquide chaotique dans un flux uniforme structuré. Les plaques de diffusion de liquide sont une partie importante de la pile de processus pour assurer un écoulement et une manipulation uniformes des fluides riches en carbone lorsqu'ils s'écoulent.
La fabrication additive permet aux plaques de diffuseur à grand volume de fournir une dispersion de liquide à haute efficacité, principalement grâce à la complexité de conception de la mise en œuvre des formes de plaque de diffuseur, mais également des formes de buse de diffuseur. Empruntant des concepts à la conception de buses de carburant aérospatiales et à des applications de gicleurs d'équipements semi-conducteurs, les plaques de diffusion fabriquées de manière additive peuvent être fabriquées 20 fois plus rapidement que l'usinage pur.
Refroidisseurs et alambics
Le produit riche en carbone sortant de l'étape de filtration peut être considéré comme "sale" et nécessite un traitement supplémentaire avant de pouvoir être utilisé. Ce retraitement du carbone sale peut être effectué en dehors d'un système autonome, mais cela signifie que plus de carbone est généré pendant la logistique de collecte et de transport des produits de carbone sale vers les installations de retraitement secondaire. Les systèmes de capture du carbone les plus précieux et les plus prometteurs ont un certain degré de retraitement intégré des produits carbonés sales, de sorte que la sortie du système de capture du carbone comprend des produits carbonés utilisables propres et des sous-produits à base d'eau salubre.
Les tours de raffinage, y compris les alambics et les échangeurs de chaleur avec refroidissement intégré, sont traditionnellement relativement complexes à assembler, avec des dizaines de coques et d'étages en tôle (jusqu'à des centaines de mètres de coudes), ainsi que des dizaines de brides, raccords, collecteurs, peuvent être usiné ou coulé. Tout cela doit être sourcé et assemblé, ce qui augmente encore la production collective de carbone et la pollution du simple fait de fabriquer les pièces et de les assembler.
La fabrication additive permet une large gamme d'intégration de composants et de conception globale, ce qui permet une intégration et une rationalisation importantes de la chaîne d'approvisionnement. Il permet également des conceptions efficaces et fonctionnelles qui accélèrent l'étape de finition et fournissent plus de sortie dans un facteur de forme plus petit.
Collecteurs (liquide, gaz et vapeur)
La capture du carbone est un processus chimique qui implique la combinaison de fluides et de gaz avec la chimie, la température et la pression. Les collecteurs ont de nombreuses applications dans la capture du carbone, de la livraison de produits chimiques aux chambres de traitement, à la distribution efficace du liquide de refroidissement aux composants de refroidissement actifs tels que les échangeurs de chaleur et les applications générales de distribution de gaz. Ce qui rend la production de ces pièces difficile n'est pas l'exigence de résistance chimique ou de matériaux spéciaux de qualité aérospatiale, mais la nécessité de maintenir l'égalisation de la pression sur les nombreuses lignes secondaires et même de transférer les fluides à travers la chambre de traitement. Une ramification un à plusieurs efficace et un écoulement de fluide uniforme, associés à des contraintes d'espace et d'assemblage, sont un problème géométrique où la fabrication additive présente des avantages uniques, et les industries de l'aérospatiale, de la défense et des semi-conducteurs adoptent maintenant la technologie. L'adoption généralisée en est la preuve .
La possibilité que nous puissions mieux respirer à l'avenir
La capture et le raffinage directs de l'air sont des technologies clés pour améliorer les niveaux de carbone atmosphérique, et la fabrication additive rend actuellement la technologie beaucoup plus efficace. À cet égard, le principal responsable des solutions de 3D Systems a déclaré : « 3D Systems et AirCapture ont parcouru un long chemin dans leur collaboration en tirant parti de la fabrication additive pour itérer rapidement et créer des composants productibles. Des géométries à haut rendement appliquées à la pile de processus et à l'augmentation de l'échange de chaleur capturer l'efficacité tout en réduisant le facteur de forme et l'encombrement, ce qui rend la technologie facile à installer et finalement à développer. Avec l'adoption de techniques de fabrication et d'outils de conception avancés, nous pensons qu'il est plus facile de comprendre que le climat peut encore être confortable et vivable pour les générations futures.