Comment l’impression 3D métal peut-elle aider le secteur de l’énergie à réduire son empreinte carbone ?

1. L'évolution de l'utilisation des matériaux : de la « fabrication soustractive » à la « croissance à la demande »
Le moulage, le forgeage et l'usinage font partie des méthodes traditionnelles de travail du métal, mais ils n'utilisent généralement que 30 % du matériau. Par exemple, les opérations de forgeage traditionnelles doivent transformer des lingots d’acier de 3 mètres de large en broches de 1,5 mètre de large. Environ 70 % du métal est réduit en ferraille au cours de ce processus.Impression 3D métalpeut utiliser plus de 90 % du matériau en empilant des couches les unes sur les autres. Platinum Technology fabrique des chambres de poussée de moteurs de fusée pour les entreprises aérospatiales commerciales. Le taux d’utilisation de la matière est passé de 15 % dans les techniques traditionnelles à 92 % après l’impression 3D. Le poids de chaque pièce a été réduit de 60 %, ce qui signifie que les émissions de carbone lors de la phase de lancement de la fusée sont moindres.
L’élément « moule numérique » de l’impression 3D est ce qui rend le matériau plus efficace. Dans la fabrication traditionnelle, les moules doivent être fabriqués à l’avance, ce qui rend coûteuse la modification des conceptions. Dans l’impression 3D, les modèles numériques pilotent directement la production, ce qui facilite l’intégration rapide d’une conception d’optimisation topologique. Les équipes de course européennes utilisent la technologie SLM (Selective Laser Melting) pour fabriquer la culasse du moteur, ce qui réduit le poids de 66 %, le volume de 65 % et la surface de dissipation thermique de 40 %. Il améliore également immédiatement le rendement énergétique de 12 % tout en conservant sa résistance d'origine. Ce niveau de liberté de conception permet aux équipements énergétiques d'aller au-delà des limites mécaniques des structures traditionnelles, permettant une « conception axée sur la fonctionnalité » au lieu d'une « conception axée sur la fabrication ».
2. Reconstruction à faible-carbone du côté de la production d'énergie : passer d'une fabrication centralisée à une fabrication distribuée
La manière traditionnelle de fabriquer des équipements énergétiques dépend fortement de la chaîne d’approvisionnement mondiale. Le lien logistique depuis l’obtention des matières premières jusqu’à leur assemblage à la fin du processus représente plus de 30 % de l’ensemble des émissions de carbone du cycle de vie. La capacité de l’impression 3D métal à fabriquer des objets localement résout ce problème. Par exemple, avec une production centralisée typique, les pièces doivent être expédiées de Chine vers différentes régions du monde. Cependant, grâce à la technologie d’impression 3D, chaque point d’installation peut créer des objets immédiatement. Bering 3D a produit un support solaire pour les endroits reculés d'Afrique qui est imprimé sur place avec de la poudre d'acier -résistante aux intempéries. Cela signifie qu'il n'est pas nécessaire de l'expédier au-delà des frontières ou de le stocker, et cela réduit l'empreinte carbone d'un seul système de 45 %.
Les avantages de l’impression 3D pour la fabrication distribuée sont plus importants dans le secteur de l’énergie nucléaire. Pour assembler les générateurs de vapeur nucléaires traditionnels, des dizaines de milliers de raccords de tuyauterie doivent être déplacés vers le site de la centrale nucléaire. Cependant, l'équipement laser multi-BLT-S1500 de Platinum Technology peut faire la même chose avec un seul poids de 1,5 tonne, ce qui réduit la distance entre la traversée-continentale et l'intérieur de la zone de l'usine. Cette méthodologie de « fabrication et d'installation » a permis de réduire de 70 % le temps nécessaire à l'installation d'une centrale nucléaire CGN donnée, de 90 % le nombre de soudures nécessaires sur site et de 23 000 tonnes d'émissions de carbone pendant la construction.
3. Le saut de performance des équipements d’énergie propre : de l’optimisation des structures à l’intégration des fonctions
Le développement des équipements énergétiques s’oriente vers des « hautes performances à faible consommation d’énergie » grâce à l’impression 3D métal. Dans le domaine de l’énergie éolienne, l’impression 3D a permis de contourner les problèmes que posent les méthodes de moulage traditionnelles avec les architectures de réseaux de cisaillement de pales. Grâce à la technologie de collage par jet d'adhésif (BJT), les connecteurs de racine de pale d'éolienne de Vestas à un niveau de 100 mètres facilitent l'assemblage de la construction. Auparavant, il fallait 127 composants pour fabriquer une seule pièce. Cela réduit le couple de démarrage des pales de 18 % tout en les empêchant de se fatiguer. Cela augmente également la quantité d’électricité produite chaque année de 3,2 %.
La capacité de l'impression 3D à combiner plusieurs pièces en une seule pièce est également utile pour fabriquer des équipements alimentés à l'hydrogène-. Le processus d'emboutissage traditionnel est nécessaire pour fabriquer plus de 200 moules à canaux d'écoulement indépendants pour la plaque bipolaire de la pile à combustible Toyota Mirai. Cependant, l’impression 3D peut directement créer une plaque bipolaire intégrée avec des canaux d’écoulement en serpentin, des trous pour les capteurs de température et des trous pour la diffusion de l’hydrogène. Cela augmente la densité de puissance de la pile de 25 % et le taux d'utilisation de l'hydrogène de 15 %. Cette intégration fonctionnelle utilise non seulement moins de matériaux, mais elle réduit également la quantité d'énergie utilisée par le système pour fonctionner en optimisant les chemins empruntés par l'énergie.
4. Captage et utilisation du carbone : de l’idée à la pratique technique
L’impression 3D résout le problème technique du captage du carbone qui empêche les méthodes traditionnelles de créer des structures intérieures complexes. Des filtres comportant des dizaines de milliers de trous de la taille d'un micron-sont nécessaires pour le système Direct Air Capture (DAC), et les méthodes de traitement classiques ne permettent d'effectuer que moins de 30 % du travail. Mais l’impression 3D peut limiter les erreurs de taille des pores à ± 5 µm. Le réacteur de captage de carbone fabriqué par 3D Systems pour AirCapture a trois fois la surface d'échange thermique grâce à l'optimisation de la topologie. Cela signifie qu’il peut collecter 40 % de carbone en plus par unité de volume. Dans le même temps, le poids du matériel est passé de 12 tonnes à 3,8 tonnes. Cela signifie que les émissions de carbone sont bien inférieures lors du transport et de l’installation.
Il est encore plus intéressant de constater que l’impression 3D rend les technologies d’utilisation du carbone plus largement disponibles. Norwegian Carbon Clean utilise un réacteur modulaire de conversion du carbone fabriqué par impression 3D pour rendre le processus de transformation du CO₂ en méthanol 85 % plus efficace en énergie-, soit 22 points de pourcentage plus efficace que les méthodes existantes. La gestion précise des structures de turbulence à l’intérieur du réacteur par impression 3D est ce qui rend possible cette augmentation d’efficacité. Il augmente la zone de contact du gaz et du liquide de 60 % et la vitesse de réaction de trois fois.
5. La transformation verte de l’écologie industrielle : passer d’une économie linéaire à une économie circulaire
Les fonctionnalités en boucle fermée-de l'impression 3D métallique modifient la chaîne industrielle de l'énergie. La méthode de circulation de poudre de Platinum Technology peut augmenter le taux de récupération des éclaboussures métalliques pendant l'impression à 99,2 %. Lorsqu'il est utilisé avec un équipement de récupération du gaz argon, il peut réduire les émissions de carbone de 187 tonnes par an pour une seule unité. Chuangcai Advanced Study a utilisé des algorithmes d'IA pour créer une poudre d'alliage de titane régénérée. Cette poudre possède des qualités mécaniques allant jusqu'à 98 % de celles de la poudre d'origine et son coût de fabrication est 40 % inférieur. State Power Investment Corporation l’a utilisé pour fabriquer les coques de batteries de stockage d’énergie.
Cette démarche d’économie circulaire s’étend à d’autres domaines. Siemens Energy construit une usine dans la nouvelle ville NEOM en Arabie Saoudite pour produire de l'hydrogène vert. Toutes ses machines d'impression 3D sont modulaires, ce qui signifie qu'elles peuvent être démontées en pièces standards et imprimées sur de nouvelles machines une fois qu'elles ne sont plus nécessaires. Cela signifie que 95 % des ressources sont utilisées pendant tout le cycle de vie de la machine. Cette boucle fermée de « régénération des usages manufacturiers » montre que les équipements énergétiques passent du statut de « consommables » à celui de « biens durables ».