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Scott Green & Matt Atwood: Bekämpfung des Klimawandels

Scott Green, 3D Systems & Matt Atwood, Air-Capture
Die Rolle des 3D-Drucks bei der Bekämpfung des Klimawandels

Das Pariser Klima-Abkommen hat deutlich gemacht, dass die Emissionen innerhalb dieses Jahrzehnts drastisch gesenkt werden müssen, um die globale Erwärmung auf höchstens 1,5 °C zu begrenzen und ein lebenswertes Klima zu gewährleisten. Die effizienteste Methode zur Senkung der CO2-Emissionen ist die direkte Luftabscheidung (Direct Air Capture, DAC). DAC ist eine Technologie, die die Abscheidung von CO2 aus der Luft ermöglicht, um dann dieses CO2 wieder dem Wirtschaftskreislauf etwa zur Herstellung von Kunststoffen zu zuführen. Scott Green, Principal Solutions Leader, 3D Systems & Matt Atwood, Gründer & CEO, Air-Capture

Die Autoren:

Um das CO2 aus der Atmosphäre abzuscheiden, benötigt man ein System aus Filtern, Wärmetauschern, Kondensatoren, Gasabscheidern und Kompressoren. Viele dieser komplexen Teile erfordern Geometrien, die sich gut für die additive Fertigung eignen. Die additive Fertigung ist effizienter und zumeist kostengünstiger als konventionelle Herstellungsverfahren und bietet erhebliche Leistungsvorteile für die DAC-Anlagen. Die additive Fertigung erfüllt alle Anforderungen für die Produktion solcher Reaktoren und kann Anwendungen ermöglichen, die eine Vielzahl von Anforderungen an die Kohlenstoffabscheidung erfüllen.

Mikroturbinen

Mikroturbinen bieten die Möglichkeit, Gas und Flüssigkeiten mit hohem Druck und hohem Wirkungsgrad mit minimalem Energie- und Kohlenstoffausstoß zu transportieren. Eine leistungsstarke, zuverlässige Luftkompression und die Stabilität des Systemdrucks sind entscheidend für die Funktion von Kohlenstoffabscheidungssystemen. Da sich industrielle Kohlenstoffabscheidungssysteme immer mehr zu kleineren, dezentralen Einheiten entwickeln, ist der Einsatz kompakter Turbinentechnologie noch wichtiger, um einen effizienten Betrieb mit geringem Platzbedarf zu ermöglichen.

Mechanische Filter

Eine entscheidende Komponente der Kohlenstoffabscheidung ist das „Einfangen“ des Kohlenstoffs mit mechanischen Filtern. Diese sind hierfür in der Regel mit einem Amin beschichtet. Die Effizienz dieser Filter ist umso höher je größer die Oberfläche ist, mit der die Filter in Kontakt mit der Luft kommen. Die additive Fertigung ermöglicht es hier die Filter so zu gestalten, dass die Filter mit einer größtmöglichen Oberfläche turbulent von der Luft umströmt werden und das bei einem möglichst geringen Druckabfall.

Wärmetauscher

Der Wärmeverlust ist eine Herausforderung bei der Kohlenstoffabscheidung. Denn der in der ersten Stufe aus der Luft abgeschiedene Kohlenstoff muss aus den mechanischen Filtern in die nachgeschalteten Veredelungsstufen transportiert werden. In vielen Systemen geschieht dies durch unter Druck stehenden Dampf, der den Kohlenstoff aus dem Filter löst. Hier können Wärmetauscher eingesetzt werden, um zum einen um die überschüssige Wärme aus dem Dampferzeugungsprozess abzuführen und zum anderen um die Temperatur des kohlenstoffreichen Dampfes, der die Filterstufe verlässt, zu senken. Darüber hinaus werden auch neuartige Wärmeaustauscher mit den nachgeschalteten Destillations- und Veredelungsschritten gekoppelt, damit die Prozesstemperatur stets im optimalen Bereich liegt.

Diffusorplatten

Diffusorplatten werden in der chemischen Industrie häufig eingesetzt, um ein bestimmtes Gas- oder Flüssigkeitsvolumen zu konzentrieren. Die Flüssigkeitsdiffusion funktioniert dabei ähnlich wie das Konzept der Lichtbündelung, bei dem eine Lichtquelle verwendet wird und der Lichtstrahl so ausgerichtet wird, dass das Licht diffus und mit parallelen Strahlengängen emittiert wird. Diffusorplatten sind somit einer Gartenschlauchdüse sehr ähnlich, die aus einem chaotischen Flüssigkeitsstrom eine strukturierte und gleichmäßige Strömung erzeugt. Flüssigkeitsdiffusorplatten sind wichtige Bestandteile von Prozessstapeln, um eine gleichmäßige Strömung und Aufbereitung der kohlenstoffreichen Flüssigkeit zu gewährleisten, während sie durch den Prozess fließt.

Die additive Fertigung ermöglicht hier großvolumige Diffusorplatten, die für eine effiziente Flüssigkeitsdiffusion sorgen, indem sie in erster Linie eine komplexe Gestaltung der Form der Diffusorplatte, aber auch der Diffusordüse ermöglicht. In Anlehnung an Konstruktion von Treibstoffdüsen für die Luft- und Raumfahrt sowie von Spritzköpfen für die Halbleiterindustrie können additiv gefertigte Diffusorplatten 20-mal schneller hergestellt werden als in einer konventionellen Fertigung.

Kältemaschinen und Destillierapparate

Das kohlenstoffreiche Produkt, das die Filterstufe verlässt, gilt als verschmutzt und muss weiterverarbeitet werden. Die vielversprechendsten Kohlenstoffabscheidungssysteme verfügen über ein gewisses Maß an integrierter Nachbearbeitung des schmutzigen Kohlenstoffprodukts, so dass der Output eines Kohlenstoffabscheidungssystems aus einem sauberen, nutzbaren Kohlenstoffprodukt und einem sicheren Nebenprodukt auf Wasserbasis besteht.

Veredelungskolonnen, die Destillatoren mit integrierter Kühlung und Wärmetauscher umfassen können, sind in der herkömmlichen Montage relativ komplex. Sie umfassen Dutzende von Metallschalen und -stufen – bis zu Hunderten von Metern gebogener Rohre – und Dutzende von Flanschen, Armaturen und Verteilern, die maschinell bearbeitet oder gegossen werden können. All dies muss beschafft und zusammengebaut werden, was den Kohlenstoffausstoß durch die bloße Herstellung und den Zusammenbau der Komponenten weiter erhöht.

Die additive Fertigung ermöglicht eine umfassende Teilekonsolidierung und ein monolithisches Design, was eine erhebliche Rationalisierung der Lieferkette ermöglicht. Außerdem ermöglicht sie ein funktionsorientiertes, effizientes Design, das die Veredelungsphase beschleunigen kann und so noch mehr Leistung in einem kleineren Format bietet.

Verteiler (flüssig, gasförmig und dampfförmig)

Die Kohlenstoffabscheidung ist ein chemischer Prozess, bei dem Flüssigkeiten und Gase mit Chemikalien unter Temperatur und Druck miteinander kombiniert werden. Hier gibt es zahlreiche Anwendungen für Verteiler, von der Beförderung der Chemikalien in die Prozesskammern über die effiziente Verteilung von Kühlmitteln an aktive Kühlkomponenten wie Wärmetauscher bis hin zu allgemeinen Gasverteilungsanwendungen.

Was die Herstellung dieser Komponenten zu einer Herausforderung macht, sind nicht die Anforderungen an die chemische Beständigkeit oder spezielle Materialien für die Luft- und Raumfahrt, sondern vielmehr die Notwendigkeit eines konstanten Drucks über viele Verzweigungsleitungen und die gleichmäßige Förderung von Flüssigkeiten durch eine Prozesskammer. Effiziente Verzweigungen mit gleichmäßigem Flüssigkeitsfluss in Kombination mit Platz- und Montagebeschränkungen sind ein Geometrieproblem, das durch die additive Fertigung in Weise gelöst werden kann.

Korrektur des atmosphärischen Kohlenstoffgehalts

Die DAC ist eine entscheidende Technologie zur Korrektur des atmosphärischen Kohlenstoffgehalts, und die additive Fertigung ermöglicht hier erhebliche Effizienzsteigerungen. 3D Systems und Air-Capture machen in ihrer Zusammenarbeit große Fortschritte, indem sie die additive Fertigung nutzen, um schnelle Iterationen zu machen und um produktionsreife Komponenten herzustellen. So sind sie in der Lage, nie zuvor verwendete, effiziente Geometrien auf Prozessstapel und den Wärmeaustausch anzuwenden, was die Effizienz der Erfassung erhöht und gleichzeitig das Format und den Platzbedarf reduziert, so dass die Technologie einfach zu installieren und letztendlich zu skalieren ist. Mit der weiteren Einführung von fortschrittlichen Fertigungstechnologien und Konstruktionswerkzeugen können wir ein wenig ruhiger schlafen, weil wir wissen, dass das Klima auch für künftige Generationen noch angenehm und lebenswert sein wird.



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