Ora, a più di 20 anni dall'inizio del 21° secolo, l'importanza di affrontare il cambiamento climatico sta accelerando. Come proposto dalla Coalizione Net Zero delle Nazioni Unite: l'accordo di Parigi del 2050 evidenzia la necessità di significative riduzioni delle emissioni entro un decennio per mantenere il riscaldamento globale al di sotto di 1,5 gradi e garantire un clima vivibile. Per raggiungere questo obiettivo, i produttori dell'industria pesante stanno rapidamente costruendo attività e investendo molto, mentre le startup tecnologiche stanno creando nuove soluzioni. Nonostante gli investimenti dei produttori industriali per risolvere il problema e la creazione di nuove soluzioni da parte di nuove società tecnologiche, l'obiettivo globale rimane insoddisfatto.
Al centro della cattura del carbonio ci sono alcune reazioni chimiche relativamente semplici. Qualsiasi sistema di cattura e rigenerazione del carbonio deve funzionare con estrema efficienza per garantire che non esacerba i problemi consumando combustibili ad alto contenuto di carbonio o emettendo più carbonio nell'atmosfera. In altre parole, dobbiamo catturare quanto più carbonio possibile utilizzando molto meno carbonio per generare la reazione di quello che viene catturato. Idealmente, l'obiettivo è scambiare un input di carbonio zero con un recupero illimitato di carbonio come output.
Per risolvere questo problema, sono necessarie infrastrutture carbon-negative. Il modo più efficiente, efficace e scalabile per ridurre le emissioni di CO2 è utilizzare la cattura diretta dell'aria (DAC). La cattura diretta dell'aria è una tecnologia che separa l'anidride carbonica dall'aria per creare prodotti economicamente necessari, come prodotti agricoli, materiali da costruzione, combustibili, plastica e prodotti chimici. I DAC consentono anche il sequestro -- la capacità di immagazzinare CO2 per scopi costruttivi -- trasformandola da una minaccia a un'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 per la produzione additiva, che è più efficiente e potenzialmente più conveniente rispetto ai metodi di produzione tradizionali e offre prestazioni sostanziali ai dispositivi DAC e vantaggi economici:
Ottimizzazione del design per l'efficienza energetica. Quando applichiamo le capacità di ottimizzazione del design della produzione additiva a questi sistemi di cattura e utilizzo del carbonio, abbiamo il potenziale per aumentare notevolmente le prestazioni e l'efficienza, avvicinandoci alla perdita di energia.
Libertà di progettazione. La produzione di prototipi rapidi libera i progetti per esprimere le nuove strutture necessarie per catturare ed elaborare in modo efficiente il carbonio atmosferico e utilizzarlo per fare qualcosa di utile.
prestazione. Può produrre una serie di leghe con resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e alta conducibilità termica.
Estensibilità. Consegnato rapidamente con produzione scalabile per supportare l'elevata domanda di apparecchiature sul campo.
Efficienza della catena di approvvigionamento. L'integrazione dei componenti e il design generale consentono di ottimizzare la qualità e la catena di approvvigionamento. Non possiamo ignorare l'impronta di carbonio dell'utilizzo di più fornitori in tutto il paese per produrre un singolo componente.
La produzione additiva soddisfa tutti i requisiti per la produzione di tali reattori e consente applicazioni che soddisfano varie esigenze di cattura del carbonio.
Attrezzatura per microturbina
Le microturbine sono una tecnologia emergente in vari settori, inclusa la produzione di energia. Offrono l'opportunità di fornire un'erogazione efficiente di gas e fluidi ad alta pressione in un fattore di forma ridotto con un'impronta energetica/carbonio minima. L'efficienza della cattura del carbonio è molto simile a quella della generazione generale di elettricità ed è una funzione della produzione e dell'apporto energetico.
Prestazioni elevate, compressione dell'aria affidabile e stabilità della pressione del sistema sono fondamentali per il funzionamento dei sistemi di cattura del carbonio ora e, soprattutto, in futuro. Man mano che i sistemi industriali di cattura del carbonio si spostano verso unità più commerciali e produzione e funzionamento distribuiti, è ancora più fondamentale utilizzare una nuova tecnologia di turbina compatta per consentire operazioni ad alta efficienza su piccola scala.
Mfiltro meccanico
Una parte fondamentale della cattura del carbonio consiste nel prima "catturare" il carbonio con filtri meccanici strutturati, solitamente rivestiti con ammine che attirano il carbonio. L'aria viene aspirata nel sistema attraverso la prima fase, che è la fase di "contatto diretto con l'aria". L'efficienza di un filtro a contatto diretto con l'aria può essere massimizzata da una struttura filtrante che consente il massimo contatto tra l'aria in ingresso e la superficie del filtro. La produzione additiva consente un design funzionale di questo filtro che può indurre alti livelli di turbolenza e miscelazione, nonché un'elevata superficie per il massimo contatto con l'aria.
Hmangia scambiatore
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 dal filtro meccanico alla fase di raffinazione a valle. In molte forme di realizzazione della tecnologia, ciò si ottiene rilasciando il carbone dal filtro con vapore pressurizzato. Gli scambiatori di calore possono essere utilizzati per rimuovere il calore residuo dal processo di generazione del vapore e più comunemente a valle per ridurre la temperatura del vapore ricco di carbonio che lascia lo stadio del filtro. Inoltre, le nuove strategie di scambio termico combinate con la distillazione a valle e le fasi di raffinazione mantengono il processo a una temperatura costante per sostenere le reazioni chimiche e produrre prodotti di carbonio in uscita.
Piatto diffusore
Le piastre del diffusore sono comunemente utilizzate nella lavorazione chimica per prelevare un volume di gas o liquido e mescolarlo. La diffusione del fluido funziona come il concetto di collimazione della luce, che prende una sorgente di luce e organizza l'energia in modo che la luce si diffonda in percorsi paralleli del fascio. Una piastra diffusore è molto simile alla testa dell'irrigatore di un tubo da giardino, farà fluire il liquido caotico in un flusso strutturato e uniforme. Le piastre di diffusione del liquido sono una parte importante della pila di processo per garantire un flusso e una gestione uniformi dei fluidi ricchi di carbonio durante il loro flusso.
La produzione additiva consente alle piastre del diffusore ad alto volume di fornire una dispersione del liquido ad alta efficienza, principalmente attraverso la complessità del design dell'implementazione delle forme delle piastre del diffusore, ma anche delle forme degli ugelli del diffusore. Prendendo in prestito concetti dalla progettazione di ugelli di carburante aerospaziali e dalle applicazioni di spruzzatori di apparecchiature strumentali a semiconduttore, le piastre del diffusore prodotte in modo additivo possono essere fabbricate 20 volte più velocemente della pura lavorazione meccanica.
Raffreddatori e alambicchi
Il prodotto ricco di carbonio che esce dalla fase di filtrazione può essere considerato "sporco" e richiede un'ulteriore lavorazione prima di poter essere utilizzato. Questo ritrattamento del carbonio sporco può essere eseguito al di fuori di un sistema autonomo, ma significa che viene generato più carbonio durante la logistica di raccolta e trasporto dei prodotti di carbonio sporchi agli impianti di ritrattamento secondari. I sistemi di cattura del carbonio più preziosi e promettenti hanno un certo grado di ritrattamento integrato del prodotto di carbonio sporco, in modo tale che la produzione del sistema di cattura del carbonio includa prodotti di carbonio puliti utilizzabili e sottoprodotti sicuri a base di acqua.
Le torri di raffineria, inclusi distillatori e scambiatori di calore con raffreddamento integrato, sono tradizionalmente relativamente complesse da assemblare, con dozzine di gusci e stadi in lamiera (fino a centinaia di metri di gomiti), nonché dozzine di flange, raccordi, collettori, possono essere lavorato o fuso. Tutto questo deve essere reperito e assemblato, aumentando ulteriormente la produzione collettiva di carbonio e l'inquinamento dalla semplice produzione delle parti e dall'assemblaggio.
La produzione additiva consente un'ampia gamma di integrazione dei componenti e progettazione generale, che consente una significativa integrazione e razionalizzazione della catena di approvvigionamento. Consente inoltre progetti efficienti e funzionali che velocizzano la fase di finitura e forniscono più output in un fattore di forma più piccolo.
Collettori (liquidi, gas e vapore)
La cattura del carbonio è un processo chimico che coinvolge la combinazione di fluidi e gas con chimica, temperatura e pressione. I collettori hanno molte applicazioni nella cattura del carbonio, dalla fornitura di prodotti chimici alle camere di processo, alla distribuzione efficiente del refrigerante ai componenti di raffreddamento attivi come gli scambiatori di calore e alle applicazioni generali di distribuzione del gas. Ciò che rende difficile la produzione di queste parti non è il requisito della resistenza chimica o di materiali speciali di grado aerospaziale, ma la necessità di mantenere l'equalizzazione della pressione sulle numerose diramazioni e persino di trasferire i fluidi attraverso la camera di processo. L'efficiente diramazione uno-a-molti e il flusso uniforme del fluido, insieme a vincoli di spazio e assemblaggio, sono un problema geometrico in cui la produzione additiva presenta vantaggi unici e le industrie aerospaziale, della difesa e dei semiconduttori stanno ora adottando la tecnologia L'adozione diffusa ne è la prova .
La possibilità di poter respirare più facilmente in futuro
La cattura e la raffinazione diretta dell'aria sono tecnologie chiave per migliorare i livelli di carbonio nell'atmosfera e la produzione additiva sta attualmente rendendo la tecnologia significativamente più efficiente. A questo proposito, il Principal Solutions Leader di 3D Systems ha affermato: "3D Systems e AirCapture hanno fatto molta strada nella loro collaborazione sfruttando la produzione additiva per iterare rapidamente e creare componenti producibili. Le geometrie ad alta efficienza applicate allo stack di processo e lo scambio termico aumentano catturare l'efficienza riducendo al contempo il fattore di forma e l'ingombro, rendendo la tecnologia facile da installare e infine espandere. Con l'ulteriore adozione di tecniche di produzione avanzate e strumenti di progettazione, riteniamo che sia più facile capire che il clima potrebbe essere ancora confortevole e vivibile per le generazioni future".