从挑战到解决方案：氢经济的增材制造

时间：2024-10-16 13:39 来源：3D科学谷作者：admin 阅读：次

3D打印已经在氢经济中找到了多种应用，这些应用涵盖了从氢的生产、储存到应用的各个环节。氢气涡轮机和压缩机部件设备方面，增材制造技术可以制造用于氢气涡轮机和压缩机的高性能部件，这些部件可以在高压和高温环境下运行。当前，增材制造被用于开发更精细的氢燃料喷射系统，以提高燃烧效率和减少排放。增材制造可以快速制造定制的接头和适配器，以连接不同的氢气系统组件，提高系统的兼容性和灵活性。

▲ 3D打印用于优化氢能设备关键零件-IGNITER项目
© RWTH DAP亚琛工业大学数字增材制造生产研究所

“增材制造技术为氢经济的挑战提供了多种解决方案，包括：

资源高效型组件：生产轻量化和优化设计的组件，以减少材料使用和提高能源效率。

需求驱动型材料：根据特定应用的需求定制材料特性，以提高性能和耐用性。

环保型组件表面：通过涂层和其他表面处理技术，提高组件的环保性能，如减少氢渗透和提高耐腐蚀性。”

脱碳和可持续能源是社会和政治讨论的核心话题，我们需要清洁的替代品来替代推动气候变化和污染环境的化石燃料，氢气是一种可能的替代品。

然而，氢气对企业和能源行业提出了挑战：现有的基础设施需要从化石原料和能源来源转换而来，这需要大量投资。此外，氢气生产（尤其是绿色氢气）的效率和成本效益目前有限。氢气还具有不同的燃烧和腐蚀特性。这改变了燃烧和运输部件所用材料的要求，需要新材料和改进的设计。

氢经济的增材制造是实现可持续能源转型和减少温室气体排放的关键技术之一。亚琛工业大学的几个个项目，IGNITER，H2MAT3D，HyInnoBurn，正在通过增材制造技术推动氢基燃烧系统的发展，以期实现更高效、更环保的能源使用。

IGNITER项目

该项目的目标是开发和应用基于模拟的燃料灵活燃烧器设计流程，以使用氢基燃料。增材制造技术在此过程中扮演着重要角色，因为它允许设计和制造复杂的几何结构，这些结构可能通过传统制造方法难以实现。通过模拟和增材制造的结合，研究人员可以优化燃烧器设计，以满足严格的排放和性能标准。这包括：
燃料灵活性：设计能够适应不同燃料类型的燃烧器，包括天然气和氢气。

排放控制：优化燃烧过程以减少有害排放，如氮氧化物(NOx)。

性能优化：确保燃烧器在各种操作条件下都能保持高效和稳定。

H2MAT3D项目

H2MAT3D -（氢基燃烧系统、高温材料和激光增材制造之间的相互作用分析）

亚琛工业大学与卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 技术热力学研究所和柏林工业大学 MfAM 合作，研究氢燃烧系统与增材制造生产的材料之间的复杂相互作用。研究重点是识别能够提高氢燃烧效率和稳定性的高温材料，同时突破 3D 打印技术的界限。

这些项目对于推进对氢基燃烧系统和增材制造的理解至关重要，为未来无碳能源技术的发展铺平了道路。

H2MAT3D项目专注于分析氢基燃烧系统、高温材料和激光增材制造之间的相互作用。研究的重点是识别和开发能够提高氢燃烧效率和稳定性的高温材料。这涉及到：

材料选择：开发适用于氢环境的高性能、耐用和高效材料。

多材料增材制造：通过逐层优化材料组合，实现定制材料特性，结合耐磨、耐腐蚀和功能性。

表面功能化：使用超高速涂层技术，为管道等提供适应环境的内部和外部表面，以实现最佳的防腐保护并减少氢渗透。

▲ 理解增材制造工艺材料的相关性
© RWTH DAP亚琛工业大学数字增材制造生产研究所

在 H2MAT3D 中，RWTH DAP亚琛工业大学数字增材制造生产研究所及其研究合作伙伴通过实验和数值研究了氢基燃烧系统与增材制造材料之间的相互作用。这将弥合 AM 燃烧器设计与燃烧过程中的工艺-材料相互作用之间的差距。

为了实现这一点，通过基于热力学的合金选择从镍基高温合金中分离出也可通过 AM-增材制造加工的耐高温材料，特别是激光粉末床熔融 (LPBF)，和超高速激光应用 (EHLA) 生产增材制造工艺加工的材料，从而实现高通量合金开发。这项工作得到了微观结构模拟的支持，微观结构模拟将提供影响增材制造过程中高温强度、降解行为和裂纹形成的信息因素。研究人员在氢气燃烧实验中研究了所生产的样品，并在操作前后对其进行了表征，以揭示降解机制。燃烧实验工作与燃烧模拟相辅相成，旨在了解材料由于热导率和表面反应对火焰的影响。在 H2MAT3D 中获得的基本理解将用于协调 AM 工艺条件和高温材料，以实现效率更高的燃烧过程。这项研究的结果可用于增材制造的燃烧系统，其中定制的合金和复杂的几何形状有助于提高效率并减少燃烧过程对环境的影响。

HyInnoBurn项目

在ACAM亚琛增材制造中心的RWTH DAP与合作伙伴开发的HyInnoBurn项目中，HyInnoBurn项目致力于开发优化的工业燃气燃烧器，以实现天然气和氢气的安全灵活运行。由于氢气火焰的行为不同于天然气火焰，该项目将开发优化的燃烧器几何形状以满足特定的燃烧器要求，例如低排放或在钢厂等具有挑战性的环境中安全运行。燃烧器还应具有可扩展性，以满足不同最终用户的特定要求。AM-增材制造技术成为关键的生产技术，以赋予燃烧器设计最大可能的自由度以及轻松的可扩展性。

HyInnoBurn项目研究成员结合了发电厂技术、蒸汽和燃气轮机研究所的过程分析，专注于开发通用工业燃烧器，以便使用由天然气 (EG) 和氢气组成的混合燃料灵活运行。

对当前使用的燃烧器配置的初步调查构成了为 H2 燃烧器系统开发提供合适的数值和几何模型的基础，这些模型代表了不同气体成分的燃烧和排放物形成的现象学。通过燃烧器的模拟和实验分析，实现了燃料气体中灵活的含量氢优化。其中，通过3D打印-增材制造工艺生产燃烧器实现大量优化选项至关重要。

最后，在实际操作条件下的污染物排放、温度和过程稳定性方面展示HyInnoBurn项目的可扩展性和工业适用性。这为开发新型燃烧器系统的工业应用以HyInnoBurn项目的方法和能力应用到其他领域（例如固定式燃气轮机和飞机燃气轮机的燃烧器）奠定了基础。

通过这些项目，亚琛工业大学展示了增材制造技术在推动氢经济和实现可持续能源转型方面的潜力。这些研究不仅有助于开发更高效的氢基燃烧系统，还为未来无碳能源技术的发展铺平了道路。随着技术的进一步发展和成本的降低，氢气有望成为未来能源供应的重要组成部分。

(责任编辑：admin)

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