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Stampa 3D con energia e componenti più puliti sostenibili

L'AM può avere un ruolo nel mix energetico sostenibile di domani?

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Stabilire la produzione additiva come metodo di produzione veramente sostenibile comporta inevitabilmente l’alimentazione delle stampanti 3D di domani. I piccoli sistemi polimerici richiedono una potenza minima, ma fattorie di migliaia di macchine, sistemi PBF più grandi e soprattutto sistemi metallici richiedono e richiedono enormi quantità di energia per funzionare. La stampa 3D può facilitare la produzione distribuita, il che significa che i prodotti saranno meno affidabili sui trasporti, quindi la sfida principale per rendere l’AM più sostenibile è alimentare le stampanti 3D utilizzando energia pulita.

Purtroppo oggi non esistono fonti di energia veramente pulite. Anche le energie rinnovabili spesso richiedono combustibili fossili per funzionare o sono accompagnate da pratiche che possono essere dannose per l’ambiente, come l’estrazione di minerali di terre rare per batterie o la costruzione di dighe. Sul lato opposto dello spettro, anche i combustibili fossili più “sporchi” come petrolio e gas possono essere estratti in modi più sostenibili e bruciati in modo più pulito, se vengono prese misure appropriate. E il nucleare, il più spaventoso di tutti i combustibili, potrebbe effettivamente essere il più pulito a lungo termine, specialmente se i reattori a neutroni veloci di quarta generazione, ora nelle fasi finali di sviluppo, manterranno la loro promessa di scorie nucleari in rapido decadimento. Il punto è che non esiste un’unica soluzione e l’opzione migliore che abbiamo per far progredire tutte queste tecnologie, riducendo gradualmente consumi e sprechi, è ottenere un mix energetico sostenibile per alimentare il nostro mondo e la nostra produzione. L’AM può giocare un ruolo importante in questo scenario, ma solo se il premio finale giustificherà gli investimenti necessari. 

In qualità di fornitore internazionale leader e affidabile di media e approfondimenti del settore AM, ci siamo chiesti: quanti ricavi potrebbero essere generati dall’uso della produzione additiva nel mix di produzione di energia di domani? Questa è la domanda a cui cercheremo di rispondere qui.

Potenza di stampa 3D

La produzione additiva ha trovato applicazioni in diversi settori dell’industria energetica, sia nella costruzione di prototipi che nella produzione tradizionale, portando alla semplificazione dei processi e all’efficienza operativa. AM è in grado di produrre componenti con geometrie complesse, oltre a consumare meno materie prime, produrre meno rifiuti e ridurre il consumo di energia e il time-to-market.

Con il settore energetico sotto pressione, i produttori si stanno rivolgendo all’AM per soluzioni con costi ridotti e tempi più brevi. Durante la fase iniziale di fare breccia nel settore energetico, la stampa 3D ha raggiunto un discreto livello di successo con l’industria energetica e le aziende tecnologiche che creano un’alleanza reciprocamente vantaggiosa.

Nell’analizzare il segmento della generazione di energia e il possibile impatto che la produzione additiva avrà su di esso, si possono fare diverse generalizzazioni sulle apparecchiature energetiche. Uno, forse il più evidente nel grafico sottostante, è che l’AM nella generazione di energia rinnovabile supererà tutti gli altri segmenti, guidati dall’energia solare. Si prega di notare che questa proiezione dipende fortemente dall’uso effettivo delle tecnologie di stampa 3D nella produzione di celle fotovoltaiche e solari, una gamma di applicazioni che sono ancora in gran parte sperimentali oggi. 

Tuttavia, l’AM verrà utilizzato anche nella produzione di molti altri dispositivi per la generazione di energia solare, compresi i pezzi di ricambio. A causa di una domanda molto maggiore di apparecchiature rispetto ad altre fonti di energia (l’energia solare richiede la costruzione di molte centrali elettriche molto grandi in molti luoghi del mondo e l’aggiornamento frequente), stiamo ora proiettando i ricavi dalle applicazioni AM nelle apparecchiature per la generazione di energia solare a supererà i ricavi AM in petrolio e gas entro la fine di questo decennio. Questa transizione avverrà anche prima, tra il 2024 e il 2026, se consideriamo insieme tutte le apparecchiature per la generazione di energia rinnovabile.

Poiché le fonti di energia grezza – il sole, il vento o il calore della Terra – sono gratuite, è possibile e sarà necessario fare più investimenti per produrre l’infrastruttura per sfruttare quell’energia. D’altra parte, petrolio e gas probabilmente utilizzeranno l’AM principalmente per ridurre i costi e ottimizzare gli investimenti nell’infrastruttura, a causa della domanda generalmente in calo di combustibili fossili. Ciò porta a una curva di crescita più stabile per i ricavi AM all’interno di questo segmento.

Anche la produzione di energia nucleare è destinata a diventare un grande utilizzatore di AM, tuttavia le centrali nucleari impiegano molti anni per essere costruite. Inoltre, non verranno costruiti molti nuovi impianti, poiché un singolo impianto può produrre enormi quantità di energia per molti anni, con conseguente riduzione della domanda complessiva di componenti. Tuttavia, l’impatto dell’AM nelle parti dei reattori nucleari dovrebbe essere significativo all’interno del mercato indirizzabile totale.

Qualche parola su metodologia e TAM

Per valutare l’impatto che AM avrà su questi diversi segmenti di generazione di energia, abbiamo analizzato la previsione complessiva per la produzione di apparecchiature fornita da diverse fonti specializzate. Abbiamo confrontato questi dati con l’ipotesi di fondo che AM può crescere fino a rappresentare tra l’1% e il 2% di qualsiasi segmento manifatturiero entro il 2030. 

La variazione di questa percentuale è stata definita dalla comprensione di 3dpbm dell’adozione di AM in ciascun segmento. Il valore derivato è stato quindi applicato per valutare gli investimenti nelle tre aree chiave di AM: hardware (inteso come il costo di macchine dedicate o un ricavo equivalente per il tempo macchina), materiali (intesi come i materiali utilizzati per produrre parti AM) e parti e servizi (intesi come tutte le parti prodotte internamente da società elettriche o esternalizzate a fornitori di servizi di stampa 3D e fornitori di livello 1 e 2). 

Le cifre risultanti sono proiezioni stimate che hanno lo scopo di fornire un ordine di grandezza per tutti i ricavi associati all’AM nel settore della produzione di energia nel prossimo decennio.

Complessivamente, prevediamo che AM genererà 9,99 miliardi di dollari di ricavi annuali entro il 2030, a partire da circa mezzo miliardo nel 2019. Ciò rappresenta un CAGR del 31% per AM, con il sottosegmento dei materiali che cresce al tasso più rapido (41%). Dei tre sottosegmenti, Ricambi e Servizi genereranno i maggiori ricavi entro la fine del periodo di previsione. Nella prima parte della previsione, tuttavia, l’hardware è più rilevante a causa del necessario CapEx iniziale utilizzato per avviare l’adozione di AM nel segmento energetico.

Si prevede che il mercato indirizzabile totale (TAM) per le apparecchiature per la generazione di energia varrà 671 miliardi di dollari entro il 2030. Questa previsione si basa su dati e proiezioni provenienti da diverse fonti per ciascun segmento energetico. Tali fonti e il TAM per ciascun segmento di generazione di energia verranno analizzati più in dettaglio nelle sezioni seguenti. La penetrazione totale della produzione additiva nel mercato totale indirizzabile (TAM) dovrebbe essere dell’1,4%.

Lezioni sui combustibili fossili

Questa previsione si basa sull’analisi del mercato totale indirizzabile per le apparecchiature petrolifere e del gas (compresi i componenti downstream, midstream, upstream e per la generazione di energia), che ora prevediamo di crescere fino a raggiungere i 159 miliardi di dollari nel 2030, sulla base dei dati di Allied Market Research . TAM dovrebbe essere nell’ordine dell’1,9%.

Il World Economic Forum ha stimato che AM potrebbe alla fine risparmiare tempo e denaro per un valore aggiuntivo di 30 miliardi di dollari per le compagnie petrolifere e del gas. Esiste un valore potenziale significativo nell’applicazione delle tecnologie AM lungo la catena del valore del petrolio e del gas upstream e midstream.

 I principali vantaggi dell’introduzione dell’hardware AM includono la produzione senza attrezzi, una maggiore libertà geometrica nella progettazione delle parti, nessun o meno sottoassiemi, nessun inventario fisico (magazzino digitale), rapida disponibilità delle parti (anche in loco in aree remote) e tempi di fermo ridotti. 

Accanto a maggiori capacità in termini di dimensioni e velocità per le tecnologie AM consolidate, sono stati fatti significativi passi avanti in termini di integrazione dei processi di produzione additiva DED (directed energy deposition), che possono garantire velocità di produzione elevate attraverso alti tassi di deposizione e alta automazione in sistemi ibridi (additivo, di misura/ispezione, sottrattivo). Le aziende chiave che lavorano all’introduzione di AM nel segmento del petrolio e del gas sono Siemens , GE e Baker Hughes, con il supporto di società di consulenza e sviluppatori di standard come DNL GL, Lloyds e Berenschot. 

Mentre le applicazioni di AM nel petrolio e nel gas coprono l’intero flusso di lavoro, dall’esplorazione alla generazione di energia, quest’ultima area ha visto alcuni degli sviluppi più significativi per AM. Nel 2018, Siemens ha prodotto le prime parti di ricambio in metallo stampate in 3D per una turbina a vapore industriale, riducendo del 40% i tempi di produzione di queste parti. 

Nel 2017, Siemens ha completato i suoi primi test sui motori a pieno carico per le pale delle turbine a gas, prodotte interamente utilizzando la tecnologia di produzione additiva. L’azienda sta sviluppando nuove soluzioni AM non solo per le pale delle turbine, ma anche per le palette delle turbine, gli ugelli dei bruciatori e le giranti radiali. GE considera anche la stampa 3D un disgregatore per il settore energetico, avendo spedito 9.000 componenti di turbine a gas stampati in 3D a partire dal 2018, inclusi gli ugelli del carburante stampati in 3D per le turbine a gas di classe HA dell’azienda. Gli ugelli hanno aiutato l’azienda a portare l’efficienza delle turbine al 64% e ora stanno lavorando per raggiungere un’efficienza ancora maggiore del 65%. 

Dopo essersi separato da GE, Baker Hughes ha annunciato che avrebbe intensificato ulteriormente l’uso di AM per rendere la generazione di energia da petrolio e gas più sostenibile come parte di un mix energetico più pulito. Diverse soluzioni con produzione additiva sono in sviluppo da diversi anni presso il Baker Hughes Additive Center of Excellence di Firenze e lo stabilimento di produzione TPS (Turbomachinery & Process Solutions) di Talamona (Nord Italia), nonché lo stabilimento di produzione di trapani e utensili da fondo foro a Germania e la sede di Baker Hughes a Houston, TX. 

Ad oggi, l’azienda ha prodotto più di 25.000 parti aggiuntive e qualificato più di 450 parti singole. Questo sta crescendo a un ritmo molto veloce e nel 2019 Baker Hughes ha qualificato tante parti AM in un anno come in tutti gli anni precedenti.

Rinnovare una promessa

Come ha mostrato il recente documentario di Michael Moore, Planet of the Humans, anche se forse in modo leggermente esagerato, la generazione di energia rinnovabile non è priva di difetti. Innanzitutto, la generazione di energia rinnovabile richiede enormi investimenti nella produzione di apparecchiature: specchi solari, celle, batterie, turbine eoliche e dighe. In quanto tale, come qualsiasi segmento ad alta intensità di produzione, può beneficiare della produzione additiva come processo più efficiente, che riduce gli sprechi e sostenibile. 

Si prevede che i ricavi totali della produzione additiva per tutte le apparecchiature per la generazione di energia rinnovabile cresceranno fino a 5,72 miliardi di dollari all’anno entro il 2030, ancora una volta trainati principalmente dalle applicazioni e dai ricavi dei servizi. Ciò si traduce in un TAM dell’1,26% su un mercato complessivo che dovrebbe valere 452,4 miliardi di dollari all’anno entro il 2030. La generazione di energia solare dovrebbe essere il segmento primario in termini di ricavi relativi alle apparecchiature, seguita dall’energia eolica e idroelettrica/geotermica ( questi sono stati combinati in un unico segmento).

Batterie pulite per la stampa 3D

Se le energie rinnovabili devono davvero fornire una fonte di energia praticabile e ampiamente adottata, le batterie devono diventare ancora più efficienti e, poiché stiamo parlando di sostenibilità, fare affidamento su metodi e materiali di produzione più puliti. La maggior parte delle batterie odierne dipende dai metalli delle terre rare. A differenza del nome sembra implicare, i metalli delle terre rare non sono affatto rari. Piuttosto sono molto rarefatti, il che significa che grandi quantità di terra devono essere estratte e dissolte utilizzando processi altamente inquinanti per ottenerle. I team di ricerca di tutto il mondo stanno sfruttando le tecnologie di stampa 3D per creare complesse strutture interne per batterie con maggiore capacità e flessibilità nella forma e nelle dimensioni.

Un team dell’Università di Harvard sta sviluppando una versione in miniatura di una batteria agli ioni di litio con l’uso della stampa 3D. Le micro batterie sono state fabbricate stampando accuratamente picchetti di diversi strati composti (Li4Ti5O12 o LTO e LiFePO4 o LFP), che fungono rispettivamente da anodo e catodo e consentono lo sviluppo di elettronica miniaturizzata autoalimentata, robot, impianti medici e altro ancora. I ricercatori di IBM e dell’ETH di Zurigo hanno creato la prima batteria liquida attraverso la stampa 3D chiamata batteria “redox flow”. Questa batteria può produrre energia e raffreddare allo stesso tempo. Il team ha utilizzato la stampa 3D per produrre un sistema di micro-canali per fornire elettroliti alla batteria. Questo sistema riduce al minimo la necessità di potenza di pompaggio ed elimina le alte temperature interne.

Lo sviluppo più rilevante in termini di utilizzo della stampa 3D per migliorare la sostenibilità delle batterie, che esce da TU Graz in Austria, potrebbe facilitare la produzione di magneti permanenti per piccoli componenti elettronici. I supermagneti, prodotti utilizzando un processo di stampa 3D basato su laser, possono essere utilizzati per alimentare motori elettrici e sensori, turbine eoliche e sistemi di commutazione magnetica. Nonostante la loro ubiquità, presentano alcune sfide di produzione. Cioè, i magneti permanenti vengono generalmente prodotti mediante sinterizzazione o stampaggio a iniezione, il che li limita in termini di dimensioni e geometria. AM può fornire una soluzione.

All’inizio, i ricercatori hanno concentrato i loro sforzi sulla stampa 3D al neodimio (NdFeB), un metallo delle terre rare che viene utilizzato in molti potenti magneti permanenti, come quelli utilizzati in computer, smartphone e altro. Ora, il membro del team Arneitz, un dottorato di ricerca. studente alla TU Graz, sta esplorando la possibilità di stampare in 3D altri tipi di magneti, come i magneti in ferro e cobalto (Fe-Co). In futuro, questi magneti potrebbero presentare un’alternativa più ecologica al NdFeB, che, come un metallo delle terre rare, richiede molte risorse ed è difficile da riciclare. I ricercatori sottolineano inoltre che, in termini di prestazioni, i metalli delle terre rare tendono a perdere le loro proprietà magnetiche alle alte temperature, mentre le leghe Fe-Co possono mantenere il loro magnetismo fino a 400° Celsius.

Fare luce sull’AM

Sebbene la fattibilità tecnica delle celle solari sia stata dimostrata tempo fa, il fattore di capacità (CF) è ancora basso con una media di circa il 17% negli scenari migliori. Il basso CF dei pannelli solari rende difficile ottenere economie di scala per grandi impianti solari e quindi richiede sussidi per il funzionamento continuato per un periodo di tempo. La stampa 3D può essere un punto di svolta in questo senso poiché ora viene utilizzata per creare pannelli solari.

Sebbene la tecnologia sia in una fase nascente, i ricercatori del MIT affermano che le applicazioni per la tecnologia additiva nei pannelli solari potrebbero ridurre i costi di produzione del 50% con un aumento dell’efficienza del 20% rispetto ai pannelli solari tradizionali. I pannelli solari stampati in 3D sono strisce solari leggere e supersottili che possono essere facilmente trasportate ovunque con un rischio ridotto di danni.

In Australia, la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) ha utilizzato stampanti 3D industriali per stampare rotoli di celle solari sotto forma di fogli A3 che possono essere utilizzati sulle superfici di finestre ed edifici e funzionano come efficienti pannelli solari. Gli scienziati hanno sviluppato un inchiostro fotovoltaico da utilizzare su strisce di plastica flessibili. In un altro caso, l’Australian Solar Thermal Research Initiative (ASTRI) in collaborazione con CSIRO ha sviluppato un impianto solare concentrato (CSP) in cui l’intero campo solare è stampato in 3D.

Un altro progetto, iniziato nel 2013 ma ancora agli inizi, unisce scienza dei materiali e geometrie avanzate. La startup T3DP sta lavorando a una nuova generazione di celle solari stampate in 3D che potrebbero più che raddoppiare l’efficienza di conversione dei pannelli solari piatti di oggi, rendendo così il solare stampato in 3D una soluzione davvero praticabile ed economica. Dal punto di vista della stampa 3D, la soluzione proposta da T3DP si basa su un processo brevettato di stampa 3D volumetrica che sfrutta uno studio condotto dai ricercatori di Stanford sui materiali in perovskite per le celle solari.

Mentre la produzione di massa di specchi solari, fotovoltaici o celle energetiche mediante la stampa 3D è ancora lontana, ci sono molti altri usi dell’AM nelle apparecchiature per la generazione di energia solare (come in qualsiasi assemblaggio complesso). Questi includono la produzione di batterie (descritte più in dettaglio di seguito), parti di turbine, scambiatori di calore e una serie di parti di ricambio, inclusi sensori complessi, custodie, attuatori, connettori per pannelli, giunzioni e posizionatori.

Prevediamo che la penetrazione AM totale raggiungerà l’1,6% del mercato totale indirizzabile per le apparecchiature per l’energia solare. Si prevede che il segmento genererà 188 miliardi di dollari all’anno entro il 2025, che prevediamo di raggiungere 339 miliardi di dollari entro il 2030. Durante la prima metà della previsione, la crescita è associata a una maggiore e progressiva adozione dei tradizionali materiali polimerici e metalli AM per le parti di ricambio e finali in attrezzature per impianti solari. 

Questo dovrebbe raggiungere il picco nel 2024 e diminuire nel 2025. Si prevede che la seconda metà del periodo di previsione vedrà una maggiore adozione di AM per la produzione effettiva di celle solari, che genererà entrate molto maggiori. Si prevede quindi che la produzione additiva totale nel mercato indirizzabile totale (TAM) raggiunga i 3,4 miliardi di dollari all’anno, di cui la grande maggioranza sarà rappresentata dal valore e dai ricavi associati alla produzione delle parti finali.

La risposta è nel vento?

Lo sviluppo e l’innovazione attraverso i materiali e le tecnologie di produzione sono essenziali affinché l’industria eolica possa prosperare e continuare ad aumentare la sua produzione annuale di energia. AM potrebbe in futuro consentire la produzione in loco di componenti per turbine progettati per le esigenze uniche delle risorse di una particolare posizione. Inoltre, AM fornisce uno strumento per sopperire alla domanda e offerta di pezzi di ricambio per turbine eoliche dei modelli fuori produzione, per i quali il produttore avrà una quantità limitata per soddisfare le riparazioni. La produzione di stampi e modelli è un’altra area chiave e comprovata per la stampa 3D nelle apparecchiature per la generazione di energia eolica. La produzione di modelli è uno dei processi più dispendiosi in termini di tempo e manodopera nella costruzione di pale eoliche e la stampa 3D può contribuire al risparmio di queste risorse critiche.

Nell’industria eolica, le tecnologie AM attuali e di livello R&S hanno il potenziale per incidere sui costi di prototipazione e produzione di strumenti e componenti per l’energia eolica. Secondo uno studio pubblicato da ORNL, le aree applicative per l’uso di AM per componenti eoliche che possono essere economicamente fattibili, visto il ritmo in corso dei progressi tecnologici AM, includono stampi per pale a stampa diretta che sono stati studiati in modo più approfondito per comprenderne le potenzialità e costi; coperture della navicella funzionalizzate; magneti permanenti; e scambiatori di calore leggeri e ad alta efficienza.

In futuro, le tecnologie AM potrebbero consentire la produzione in loco di parti di turbine, nonché la produzione di componenti ottimizzati per il sito, adattati alle risorse eoliche e di rete uniche di un determinato luogo. Con la maturazione anticipata di nuove tecnologie, come Large Format Additive Manufacturing (LFAM), Wide and High Additive Manufacturing (WHAM) ad alta capacità e macchine AM su larga scala in metallo, potrebbe un giorno essere possibile influenzare un cambiamento di paradigma per stampare direttamente una varietà di componenti per turbine eoliche. 

Un potenziale vantaggio chiave è che le grandi pale eoliche non dovrebbero essere trasportate su lunghe distanze, in particolare quando è impossibile trasportarle sulle autostrade. Invece, la stampante 3D potrebbe essere utilizzata in loco e “stampare” le lame, risparmiando così sui costi di trasporto. Ciò ridurrebbe anche il tempo di fabbricazione dello stampo del 35% e consentirebbe di combinare materiali diversi in aree diverse della lama.

Ciò significa che non solo potrebbero essere implementate le tecnologie di produzione additiva di polimeri e metalli di grande formato, ma anche quelle del cemento. Gli ingegneri della Purdue University stanno studiando un modo per realizzare parti di turbine eoliche in calcestruzzo stampato in 3D, un materiale meno costoso che consentirebbe anche alle parti di galleggiare in un sito da un impianto a terra.

I ricercatori stanno lavorando in collaborazione con RCAM Technologies, una startup fondata per sviluppare la produzione additiva concreta per la tecnologia dell’energia eolica onshore e offshore, comprese le torri e gli ancoraggi delle turbine eoliche. Eliminando la necessità di stampi, il processo di produzione additiva per calcestruzzo di RCAM potrebbe ridurre il costo di capitale di una sottostruttura e torre offshore rispetto ai metodi convenzionali fino all’80%, utilizzando calcestruzzo a basso costo di provenienza regionale senza costose casseforme e aumentare la velocità di produzione fino a 20 volte.

Sulla base dei dati forniti da Markets and Markets, prevediamo che il mercato indirizzabile totale (TAM) per AM nella produzione di apparecchiature per l’energia eolica varrà 44 miliardi di dollari entro il 2030. All’interno di questo segmento, in base al potenziale descritto sopra, stiamo proiettando AM totale ricavi per generare 890 milioni di dollari all’anno entro il 2030, che riflette una penetrazione del 2,02% (superiore a quella di altri segmenti di energia rinnovabile ma all’interno di un mercato complessivamente più piccolo). 

Si segnala che tale dato, come in tutti gli altri segmenti qui descritti, comprende anche i ricavi legati all’hardware AM, che nell’eolico è rappresentato da sistemi ad alto costo per la produzione di stampi e pezzi finali di grandi dimensioni.

Andare a fondo

I possibili usi della stampa 3D nella generazione di energia geotermica e idroelettrica sono simili agli usi attuali nell’industria petrolifera e del gas, poiché i segmenti sono tutti collegati alla generazione di energia dalle risorse terrestri. Le applicazioni AM geotermiche potrebbero essere simili alle applicazioni AM per pozzi e perforazioni per l’approvvigionamento di petrolio a valle. Un vantaggio chiave di AM è che può portare la produzione di parti anche in aree remote dove l’energia geotermica è un’opzione praticabile.

I dispositivi per la generazione di energia idroelettrica sono utilizzati come elementi di turbine e scambiatori di calore nelle centrali idroelettriche. Questi elementi sono simili a quelli già in produzione presso Siemens e Baker Hughes per i componenti delle turbine a gas. Una possibile evoluzione sostenibile dell’energia idroelettrica che utilizza l’AM è la generazione di energia idroelettrica ultramicro. Qui, la produzione additiva può svolgere un ruolo sia nella prototipazione che nella produzione finale. 

C’è una notevole quantità di energia disponibile, sebbene generalmente inutilizzata, in fiumi, torrenti e canali artificiali, in particolare a prevalenze molto basse, inferiori a 10′. Sfortunatamente, questa risorsa è diffusa in migliaia di località, ognuna con una diversa prevalenza, flusso e condizioni del sito. Una soluzione tecnica conveniente per consentire lo sfruttamento diffuso di questa risorsa di energia pulita e rinnovabile è un sistema flessibile integrato turbina/generatore basato su una turbina stampata in 3D e un condotto canalizzato, anch’esso stampato in 3D, o con inserti stampati in 3D montati su un generico portafoto. La startup di Minneapolis Verterra ha proposto un concetto interessante per questo nel 2016: il suo sistema di turbine ad acqua, chiamato Volturnus, funziona in base a un design orizzontale che genera energia e allo stesso tempo devia i detriti del fiume come rocce, piante e tronchi. Le turbine, distribuiti in gruppi di cinque chiamati V-Pod, siedono sotto la superficie dell’acqua in corsi d’acqua fluenti, sottilmente e catturando silenziosamente energia sufficiente dall’acqua per generare fino a 40 famiglie. Il processo di progettazione del design della turbina, ora brevettato, si è basato molto sulle tecnologie di stampa 3D. I futuri modelli di produzione potrebbero anche integrare parti stampate in 3D sul posto.

Considerando l’attuale tasso di adozione e il potenziale futuro, AM nei segmenti geotermico e idroelettrico potrebbe crescere fino a raggiungere un fatturato annuo di 1,44 miliardi di dollari entro il 2030, pari a circa l’1,6% del mercato indirizzabile totale, che secondo le nostre proiezioni raggiungerà i 68 miliardi di dollari (sulla base dei dati fornito da Transparency Market Research).

Energia nucleare

Forse (e letteralmente) il segmento più caldo per l’adozione di AM è l’industria nucleare civile. Da quando Siemens ha installato con successo una parte stampata in 3D, una girante metallica di 108 millimetri (mm) di diametro per una pompa antincendio, nella centrale nucleare di Krško in Slovenia, sono state sviluppate nuove applicazioni AM per le centrali nucleari. Con i materiali appropriati, tra cui ceramiche e metalli refrattari, AM può essere utilizzato per parti obsolete e non più disponibili, consentendo alle vecchie centrali elettriche di continuare a funzionare. Recentemente, sono diventati disponibili materiali schermanti alle radiazioni come il carburo di boro come polveri per il getto di legante sui sistemi ExOne. E all’inizio di quest’anno,

La ricerca avanzata sull’uso di ricambi stampati in 3D e pezzi di ricambio per reattori nucleari è iniziata ufficialmente nel 2016 quando il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha annunciato che GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) era stata selezionata per guidare un progetto di ricerca sulla produzione additiva da 2 milioni di dollari . Il progetto fa parte di un investimento di oltre 80 milioni di dollari in tecnologia nucleare avanzata.

GEH ha guidato il progetto producendo pezzi di ricambio campione per centrali nucleari. I campioni sono stati stampati in 3D in metallo presso la struttura GE Power Advanced Manufacturing Works a Greenville, SC e quindi spediti all’Idaho National Laboratory (INL). Una volta irradiati nell’Advanced Test Reactor dell’INL, i campioni sono stati testati e confrontati con un’analisi del materiale non irradiato condotta da GEH. I risultati vengono ora utilizzati da GEH per supportare l’implementazione di parti stampate in 3D per combustibili, servizi e nuove applicazioni per impianti.

Nel febbraio 2018, l’utility nucleare statale russa, Rosatom, ha fondato una società per lo sviluppo di tecnologie di produzione additiva. Ha già sviluppato un prototipo di pre-produzione di una stampante 3D Gen II da utilizzare per parti AM metalliche e composite nelle attività di generazione di energia nucleare.

Più di recente, la Westinghouse Electric Company ha installato un componente stampato in 3D in un reattore nucleare commerciale presso la centrale nucleare Byron Unit 1 di Exelon durante l’interruzione del rifornimento primaverile. Westinghouse gestisce AM in metallo per fusione a letto di polvere e saldatura laser a filo caldo (HWLW), come parte della sua offerta di produzione avanzata. Sono inoltre in corso attività di ricerca e sviluppo per identificare più applicazioni della stampa 3D nell’industria nucleare.

Uno di questi, supportato dall’Office of Nuclear Energy del DOE, è il Transformational Challenge Reactor (TCR) Demonstration Program, un approccio senza precedenti per sviluppare un nucleo di reattore stampato in 3D entro il 2023. Come parte della distribuzione di un reattore nucleare stampato in 3D, il programma creerà una piattaforma digitale che aiuterà a trasferire la tecnologia all’industria per la rapida adozione della tecnologia dell’energia nucleare prodotta in modo additivo. Attraverso il programma TCR, l’ORNL sta cercando una soluzione a una tendenza preoccupante: sebbene le centrali nucleari forniscano quasi il 20% dell’elettricità degli Stati Uniti, più della metà dei reattori statunitensi verrà ritirata entro 20 anni, in base alle attuali date di scadenza delle licenze. 

Le cose si stanno muovendo molto velocemente nell’industria nucleare, un grande cambiamento rispetto al passato, specialmente sul fronte degli SMR (piccoli reattori modulari) che sono versioni ridimensionate dei reattori nucleari che includono sia la tecnologia attuale che quella di IV generazione (neutroni veloci). Di recente, il 15 maggio, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha assegnato sovvenzioni a GE Research e al Massachusetts Institute of Technology (MIT) per progetti di ricerca volti a sviluppare la tecnologia dei gemelli digitali per reattori nucleari avanzati utilizzando l’intelligenza artificiale e controlli di modellazione avanzati. I progetti di ricerca utilizzeranno un gemello digitale del piccolo reattore modulare BWRX-300 dell’azienda come progetto di riferimento. 

La tecnologia Digital Twin, che ricrea perfettamente simulazioni virtuali di complesse strutture ingegneristiche, è un elemento chiave in una strategia di digitalizzazione per la produzione che include la stampa 3D per il digital warehousing e i pezzi di ricambio su richiesta. Il mercato delle parti stampate in 3D nelle apparecchiature per l’energia nucleare potrebbe crescere fino a rappresentare fino a 1,23 miliardi di dollari su un mercato totale indirizzabile per le apparecchiature per la generazione di energia nucleare (comprese le centrali elettriche e i progetti di ricerca in corso) che prevediamo di raggiungere 59 miliardi di dollari entro il 2030, sulla base dei dati forniti da Allied Market Research. Ciò significa che TAM sarebbe nell’ordine del 2,08%. Si prevede che la crescita del CAGR per la produzione additiva nelle applicazioni di apparecchiature per l’energia nucleare sarà del 27%. Altri segmenti dovrebbero crescere più rapidamente, ma l’energia nucleare richiederà ovviamente ulteriori linee guida sulla sicurezza.

Questo articolo è apparso per la prima volta sull’eBook sulla sostenibilità AM Focus 2020 di 3dpbm

 

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