La produzione additiva per il cambiamento climatico

3D Systems - AirCapture - Produzione additiva
Scambiatore di calore progettato con il software 3DXpert per mantenere stabili le temperature e sostenere le reazioni chimiche.

Il ruolo della produzione additiva nella lotta al cambiamento climatico: un contributo di Scott Green, Principal Solutions Leader, di 3D Systems e Matt Atwood, fondatore e CEO, AirCapture

Sono passati più di vent’anni dall’inizio del secolo attuale e l’importanza di lottare contro il cambiamento climatico cresce rapidamente. L’Accordo di Parigi 2050 ha evidenziato la necessità di ridurre drasticamente le emissioni di CO2 entro un decennio per mantenere il riscaldamento globale a non più di 1,5°C e assicurare un clima vivibile, come indicato nella Coalizione delle Nazioni Unite per l’azzeramento delle emissioni nette.

Per raggiungere tale obiettivo, i produttori dell’industria pesante stanno mettendo a punto operazioni che richiedono grossi investimenti, mentre le startup tecnologiche stanno creando soluzioni innovative. Eppure, nonostante questi sforzi, gli obiettivi globali non vengono raggiunti.

Al centro della cattura del carbonio ci sono alcune reazioni chimiche relativamente semplici. Qualsiasi sistema di cattura e recupero del carbonio deve funzionare ad altissima efficienza per garantire che non si contribuisca al problema consumando combustibili ricchi di carbonio o rilasciando ulteriore carbonio nell’atmosfera. In altre parole, dobbiamo catturare la maggior quantità di carbonio possibile, utilizzandone al contempo una parte significativamente inferiore a quella che catturiamo per produrre la reazione. Idealmente, l’obiettivo è zero emissioni di carbonio per una quantità illimitata di carbonio recuperata come risultato.

Per risolvere il problema, sono necessarie infrastrutture a carbonio negativo. Il metodo più efficiente, efficace e scalabile per contribuire a ridurre le emissioni di CO2 è l’uso della cattura diretta dell’aria (DAC). Si tratta di una tecnologia che consente di separare la CO2 dall’aria per realizzare i prodotti di cui l’economia ha bisogno, come prodotti agricoli, materiali da costruzione, carburanti, plastiche e prodotti chimici. La tecnologia DAC consente anche di stoccare la CO2 per scopi costruttivi, trasformandola da minaccia a opportunità.

I vantaggi della produzione additiva

La rimozione del carbonio dall’atmosfera richiede un sistema di filtri, scambiatori di calore, condensatori, separatori di gas e compressori. Molte di queste parti complesse richiedono geometrie adatte alla produzione additiva, che sono più efficienti e potenzialmente più convenienti rispetto ai tradizionali metodi di fabbricazione e offrono prestazioni sostanziali e vantaggi economici nelle apparecchiature DAC:

  • Ottimizzazione della progettazione per l’efficienza energetica: quando indirizziamo la capacità di ottimizzazione della progettazione della produzione additiva verso questi sistemi di cattura e utilizzo del carbonio, abbiamo la possibilità di aumentare notevolmente le prestazioni e l’efficienza, avvicinandoci all’energia senza perdite.
  • Libertà di progettazione: la produzione additiva consente la libertà di progettazione per esprimere l’architettura innovativa necessaria per catturare e processare in modo efficiente il carbonio dall’atmosfera e farne qualcosa di utile.
  • Prestazioni: possibilità di produrre una serie di leghe resistenti alle alte temperature e alla corrosione, garantendo al contempo un’elevata conducibilità termica.
  • Scalabilità: rapidamente disponibile attraverso una produzione scalabile per supportare l’enorme necessità di apparecchiature sul campo.
  • Efficienze della catena di fornitura: consolidamento delle parti e progettazione monolitica, che consente di ottenere qualità e razionalizzazione della catena di fornitura. Non possiamo trascurare l’impronta di carbonio derivante dall’utilizzo di più fornitori in tutto il Paese per produrre un singolo assemblaggio.

La produzione additiva soddisfa tutti i requisiti per la produzione di tali reattori e può consentire applicazioni che rispondono a diverse esigenze di cattura del carbonio.

3D Systems - AirCapture - Produzione additiva
Un esempio di filtro meccanico fase 1, progettato e prodotto in modo additivo per massimizzare il contatto e la cattura dell’aria.

Attrezzature per microturbine

Le microturbine sono una tecnologia emergente in diversi settori, tra cui quello della generazione di energia. Rappresentano un’opportunità per fornire un trasporto di gas e fluidi ad alta pressione e ad alta efficienza, in un fattore di forma ridotto, con un’impronta minima di energia/carbonio. L’efficienza nella cattura del carbonio è molto simile a quella della generazione di energia in generale, è una funzione di resa rispetto all’energia immessa.

Prestazioni elevate, affidabilità, compressione dell’aria e stabilità della pressione del sistema sono fondamentali per il funzionamento dei sistemi di cattura del carbonio oggi e, soprattutto, in futuro. Poiché i sistemi industriali di cattura del carbonio tendono verso unità più commerciali, con produzione e funzionamento distribuiti, è ancora più importante utilizzare una tecnologia di turbine compatta e innovativa per consentire un funzionamento ad alta efficienza e con un ingombro ridotto.

Filtri meccanici progettati per la produzione additiva

Una componente decisiva della cattura del carbonio è la “cattura” del carbonio, in primo luogo, con un filtro meccanico strutturato, generalmente rivestito con un’ammina che attira il carbonio. L’aria viene aspirata nel sistema per tutta la prima fase, che è quella del “contatto diretto con l’aria”.

L’efficienza del filtro a contatto diretto con l’aria può essere massimizzata da strutture filtranti che consentono il massimo contatto tra l’aria in ingresso e la superficie del filtro. La produzione additiva consente di progettare tali filtri in modo funzionale, così da poter indurre alti livelli di turbolenza e miscelazione, nonché un’elevata superficie per il massimo contatto con l’aria.

A questo punto sono in gioco i valori tipici. La sfida è: come ottenere la massima superficie con la minima caduta di pressione?

Lo spreco di calore è un problema comune nella cattura del carbonio. Il carbonio catturato nella prima fase di contatto diretto con l’aria deve essere evacuato dai filtri meccanici nelle fasi di raffinazione a valle. In molte materializzazioni della tecnologia, ciò avviene tramite vapore pressurizzato che libera il carbonio dal filtro.

Gli scambiatori di calore possono essere applicati per eliminare il calore in eccesso dal processo di generazione del vapore e, più comunemente, per ridurre la temperatura del vapore ricco di carbonio che esce dalla fase di filtrazione. Inoltre, le nuove strategie di scambio termico sono abbinate alle fasi di distillazione e raffinazione a valle per mantenere il processo a una temperatura stabile per sostenere la reazione chimica e produrre il prodotto di carbonio in uscita.

Piastre del diffusore

Le piastre del diffusore sono comunemente applicate nei processi chimici per prelevare un volume di gas o fluido e collimarlo. La diffusione del fluido funziona in modo simile al concetto di collimazione della luce che prende una sorgente luminosa e organizza l’energia in modo che la luce venga emessa in maniera diffusa con percorsi di fasci paralleli.

Le piastre del diffusore sono molto simili all’ugello di una pompa da giardino che trasforma un flusso d’acqua caotico in un flusso strutturato e uniforme. Le piastre del diffusore di liquidi sono componenti importanti degli stack di processo per garantire un flusso uniforme e il trattamento del liquido ricco di carbonio durante il processo.

La produzione additiva consente alle piastre del diffusore di grande volume di fornire una diffusione del fluido ad alta efficienza, soprattutto grazie alla complessità della progettazione della forma della piastra, ma anche della forma dell’ugello diffusore. Prendendo spunto da concetti di progettazione di ugelli per carburanti impiegati nel settore aerospaziale e dalle applicazioni per soffioni di apparecchiature per semiconduttori, le piastre del diffusore prodotte in modo additivo possono essere fabbricate 20 volte più velocemente rispetto alla sola lavorazione meccanica.

Refrigeratori e distillatori

Il prodotto ricco di carbonio che esce dalla fase di filtrazione può essere considerato “sporco” e necessita di un ulteriore trattamento per essere utilizzabile. Questo post-trattamento del carbonio sporco può essere realizzato al di fuori di un sistema autonomo, ma implica la produzione di una quantità ancora maggiore di carbonio nella logistica della raccolta e del trasporto del prodotto sporco alle strutture di post-trattamento secondarie.

I sistemi di cattura del carbonio più validi e promettenti prevedono un certo livello di post-trattamento integrato dei prodotti a carbonio sporco, in modo che il risultato di un sistema di cattura del carbonio consista in un prodotto a carbonio pulito e utilizzabile e in un sottoprodotto sicuro a base di acqua.

Le colonne di raffinazione, che possono includere distillatori con refrigerazione integrata e scambiatori di calore, sono relativamente complesse da assemblare nella maniera tradizionale, con decine di gusci di lamiera e stadi, fino a centinaia di metri di tubo piegato, e decine di flange, raccordi e collettori che possono essere lavorati o fusi. Tutto ciò che deve essere fornito e assemblato aumenta ulteriormente la produzione collettiva di carbonio e l’inquinamento causato dalla semplice produzione dei componenti e dal loro assemblaggio.

La produzione additiva consente un ampio consolidamento delle parti e una progettazione monolitica, che permette di consolidare e snellire in modo significativo la catena di fornitura. Inoltre, consente una progettazione altamente efficiente e orientata alla funzione, che può accelerare la fase di perfezionamento, fornendo così una produzione ancora maggiore in un fattore di forma più piccolo.

Collettori (liquido, gas e vapore)

La cattura del carbonio è un processo chimico che coinvolge fluidi e gas combinati con sostanze chimiche, la temperatura e la pressione. Le applicazioni dei collettori nella cattura del carbonio sono numerose e vanno dal trasporto delle sostanze chimiche nelle camere di processo, alla distribuzione efficiente del refrigerante ai componenti di raffreddamento attivo come gli scambiatori di calore, nonché alle applicazioni generali di distribuzione del gas.

Ciò che rende questi componenti difficili da produrre non sono i requisiti di resistenza chimica o i materiali speciali per il settore aerospaziale, ma piuttosto la necessità di bilanciare la pressione su molte linee di diramazione e persino la distribuzione dei fluidi attraverso una camera di processo.

Un’efficiente ramificazione uno-a-molti con un flusso uniforme di fluidi, combinata con restrizioni di spazio e di assemblaggio, è un problema di geometria che la produzione additiva è in grado di risolvere in modo unico, come dimostra l’adozione della tecnologia nelle apparecchiature aerospaziali, della difesa e dei semiconduttori.

Respirare più facilmente grazie alla produzione additiva

La cattura e la raffinazione diretta dell’aria è una tecnologia fondamentale per correggere i livelli di carbonio nell’atmosfera e la produzione additiva sta attualmente consentendo progressi significativi in termini di efficienza. 3D Systems e AirCapture stanno facendo passi da gigante, utilizzando la tecnologia PA per iterare e produrre rapidamente componenti pronti per la produzione.

Le aziende sono in grado di applicare una geometria ad alta efficienza mai utilizzata prima agli stack di processo e allo scambio termico, aumentando l’efficienza di cattura e riducendo al contempo il fattore di forma e l’ingombro, rendendo la tecnologia facile da installare e da scalare.