La impresión 3D de piezas de celdas de combustible reduce los costos (enormemente)

La impresión 3D de piezas de celdas de combustible reduce los costos (enormemente).

Mohawk Innovative Technology recurre a Velo3D para reducir el precio de los sopladores de reciclaje de gases residuales de ánodo en un 60 %.

Los hidrocarburos son bien conocidos por liberar contaminantes cuando se queman. Sin embargo, como parece ahora, puede que no siempre sea necesario quemarlos al generar energía.

Un enfoque prometedor, que surge de la etapa de investigación y pasa a la etapa de comercialización, es la tecnología de celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). El potencial queda claro a través de una asociación entre Mohawk Innovative Technology y Velo3D.

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha invertido en SOFC durante años ($ 750 millones desde 1995, según su sitio web) como parte del esfuerzo continuo para descarbonizar la producción de energía.

El DOE describe una SOFC como un dispositivo electroquímico que produce electricidad directamente a partir de la oxidación de un combustible de hidrocarburo (generalmente gas natural), al tiempo que elimina el paso de combustión real. Básicamente, una SOFC actúa como una batería de vida infinita que se recarga constantemente, sin quemar el gas que la recarga.

Paquete pequeño, gran producción de energía

Jose Luis Cordova, Ph.D., vicepresidente de ingeniería de Mohawk Innovative Technology Inc. (MITI), dijo:

Las pilas de combustible de óxido sólido son muy atractivas porque producen mucha energía en paquetes muy pequeños.

Trabajando en varios programas financiados por el DOE, Mohawk es una empresa de 28 años con sede en Albany, Nueva York, que se especializa en 'CleanTech': el diseño de turbomaquinaria libre de aceite, rentable, de bajo impacto ambiental y de alta eficiencia. productos que incluyen turbogeneradores de energía renovable, turbocompresores/sopladores sin aceite y motores eléctricos.

"Las SOFC son compactas y pueden construirse en una fábrica y luego transportarse al sitio específico donde se necesitan para respaldar la producción de energía distribuida", dijo José Luis Córdova.

"Compare eso con la planta de energía de varios megavatios centralizada habitual que requiere miles de millones de dólares y muchos años para instalarse. Las SOFC también son muy eficientes. A diferencia de una batería normal, no pierden energía con el tiempo porque siempre que se suministren los reactivos puedes continuar las reacciones electroquímicas casi indefinidamente".

Aunque en 2019 se enviaron a todo el mundo más de 40 000 unidades de celdas de combustible de 100 kilovatios (cada una capaz de alimentar 50 hogares), la adopción generalizada de la tecnología se ha visto limitada debido a que muchos de los componentes SOFC son costosos de fabricar y estos componentes se desgastan. rápidamente gracias a la exposición a los mismos gases que hacen que su operación sea tan eficiente.

Enfrentando problemas de costo y durabilidad

Para ayudar a superar tales desafíos, Mohawk ha diseñado algunas de esas piezas críticas para una vida más larga y una mayor eficiencia. Un ejemplo es el soplador de reciclaje de gases de escape del ánodo (AORB), un componente esencial del 'equilibrio de la planta' (la maquinaria que soporta la pila de combustible de la SOFC).

Durante el funcionamiento, cada celda de combustible solo usa alrededor del 70% del gas que alimenta. El resto del aproximadamente 30% pasa directamente por el sistema junto con el agua (producto de la reacción electroquímica).

“No quieres tirar el gas o el agua sobrante, quieres enviarlos de regreso al inicio del proceso”, dijo José Luis Córdova. "Y ahí es donde entra en juego el AORB; es esencialmente un compresor o ventilador de baja presión que recicla el escape y lo devuelve al frente de la celda de combustible".

"Los diseñadores de balance de planta de SOFC estaban pensando que este soplador sería una unidad lista para usar", dijo José Luis Córdova (una planta SOFC típica de 250 kW emplearía dos de ellos]).

"Pero debido a los gases de proceso en el sistema, los sopladores tradicionales tienden a corroerse y degradarse; el hidrógeno en la mezcla ataca las aleaciones de las que están hechos los sopladores y también daña los imanes y los componentes eléctricos de los motores que alimentan los sopladores. La mayoría de los sopladores también contienen lubricantes, como el aceite, que también se degradan".

"Entonces termina con sopladores de muy baja confiabilidad, que representan una parte significativa del costo del balance de la planta, y su planta SOFC necesita una revisión cada dos a cuatro mil horas".

Esta estadística está muy por debajo del objetivo del DOE de una vida útil operativa de 40 000 horas para una SOFC típica y una reducción del costo de instalación de un promedio de $12 000/kWe (kilovatio de energía eléctrica) a $900/kWe.

"Así que nos dimos cuenta de que la tecnología patentada de rodamientos de láminas (CFB) libres de aceite, los revestimientos especializados y las décadas de experiencia en turbomaquinaria de Mohawk eran una buena opción para este desafío", dijo José Luis Córdova.

AM ofrece respuestas

El financiamiento del DOE proporcionó los medios para que Mohawk diseñara y probara prototipos AORB en una planta de energía SOFC de demostración administrada por FuelCell Energy. Pruebas rigurosas en condiciones de funcionamiento realistas midieron la durabilidad y el rendimiento.

Las últimas versiones no demostraron una degradación significativa en las piezas o la producción y la eliminación completa de cualquier problema de rendimiento o confiabilidad.

Sin embargo, el costo de un AORB siguió siendo prohibitivamente alto, en gran parte debido a su impulsor centrífugo de alta velocidad, que opera continuamente bajo un estrés mecánico y térmico extremo.

Para una vida más larga, esta pieza debe fabricarse con materiales de superaleación caros, de alta resistencia, a base de níquel y resistentes a la corrosión, como Inconel 718 o Haynes 282, que son difíciles de mecanizar o moldear. Lograr una eficiencia aerodinámica óptima en un impulsor requiere geometrías tridimensionales complejas que son un desafío para la fabricación.

Además de esto, debido a la naturaleza incipiente del mercado SOFC actual, los impulsores se producen en lotes relativamente pequeños y las economías de escala son difíciles de lograr.

Como puede imaginar, la fabricación aditiva brindó una respuesta convincente para reducir los costos de producción. Mientras el proyecto original con FuelCell Energy evolucionaba, Mohawk también recibía llamadas de grupos de investigación y desarrollo que buscaban ayuda con sus propios diseños de componentes de celdas de combustible.

“Debido a que muchos de estos fabricantes e integradores aún estaban en la etapa de investigación, cada uno tenía en mente una condición operativa diferente”, dijo José Luis Córdova. "Usar la fabricación tradicional, para hacer solo un puñado de ruedas impulsoras o volutas personalizadas que querían, habría sido extremadamente costoso. Así que ahí es donde comenzamos a buscar AM; hicimos nuestra propia investigación sobre los fabricantes de sistemas AM y nos conectamos con el proveedor de LPBF Velo3D ."

Colaborando en capacidades

"Con su objetivo de reducir costos y mejorar el rendimiento de las SOFC, el DOE está entusiasmado con los métodos de fabricación innovadores como AM", dijo José Luis Córdova.

"Su financiación (a través de The Small Business Industrial Research Project) respalda nuestra asociación actual con Velo3D, así como la anterior con FuelCell Energy. Un beneficio adicional es que este trabajo está ayudando a avanzar en la tecnología de impresión 3D en general a medida que aprendemos más y más sobre sus capacidades y potencial".

mate karesh, líder del proyecto Mohawk de Velo3D, dijo:

Trabajar de la mano con empresas como Mohawk, que están dispuestas a colaborar con nosotros y darnos su opinión, impulsa el progreso en nuestros parámetros y capacidades de procesos internos, y nos ayuda a orientarnos sobre cómo mejorar nuestras metodologías de impresión.

La rentabilidad de la FA

"Nuestras ruedas impulsoras tradicionales, fabricadas de manera sustractiva, costaban entre $15,000 y $19,000 por pieza", dijo José Luis Córdova. "Cuando las imprimimos en 3D, en pequeños lotes de alrededor de ocho unidades en lugar de una a la vez, esto se redujo a $ 500 a $ 600, una reducción de costos muy significativa".

"Además de reducir los costos de fabricación, LPBF es la única tecnología que podría brindarnos la flexibilidad de diseño que estábamos buscando. AM es indiferente a la cantidad de palas del impulsor, sus ángulos o espaciado, todo lo cual tiene un impacto directo en eficiencia aerodinámica".

"Ahora tenemos la precisión geométrica necesaria para lograr diseños de turbomáquinas rotativas de mayor rendimiento y reducir los costos de fabricación asociados", dijo José Luis Córdova.

Elegir la aleación perfecta

Para los impulsores de impresión 3D en un sistema Velo3D Sapphire (en Duncan Machine, un fabricante contratado en la red global de Velo3D), se optó por utilizar Inconel 718, una de las aleaciones a base de níquel con una fuerte tolerancia a la temperatura que puede soportar la tensión de rotación mejor.

ana lea, un ingeniero mecánico de Mohawk, dijo:

Inconel fue muy atractivo para nosotros porque es lo suficientemente inerte químicamente y conserva sus propiedades mecánicas a temperaturas bastante altas que definitivamente superan al aluminio o al titanio.

Aunque Velo3D ya había certificado Inconel 718 para sus máquinas, Mohawk realizó estudios de materiales adicionales para agregar al conjunto de conocimientos sobre la versión impresa en 3D de la superaleación.

"Nuestras pruebas demostraron que el Inconel 718 impreso en 3D con LPBF tenía propiedades mecánicas, como el límite elástico y la tolerancia a la fluencia, que eran más altas que las del material fundido", dijo Hannah Lea. "Esto fue más que adecuado para aplicaciones de compresores y sopladores centrífugos de alta tensión dentro del rango de temperatura operativa".

Iteración simplificada

A medida que avanzaba el trabajo del impulsor, los ingenieros de Mohawk colaboraron con los expertos de Velo3D en iteraciones de diseño, modificaciones y estrategias de impresión.

"Fue realmente interesante porque no tuvimos que hacer ningún cambio importante en el diseño del impulsor original con el que estábamos trabajando; con el sistema Sapphire de Velo3D, podíamos imprimir lo que queríamos", dijo José Luis Córdova. "Hicimos algunos ajustes de proceso y ajustes en términos de consideraciones de estructura de soporte y modificaciones de acabado de superficie".

A medida que avanzaba el proyecto del impulsor, AM proporcionó tiempos de respuesta mucho más rápidos de lo que hubiera permitido la fundición o el fresado, ya que las piezas se podían imprimir, evaluar, iterar e imprimir nuevamente, rápidamente. En tiradas de impresión 3D posteriores, se podrían hacer simultáneamente múltiples ejemplos de diseños de impulsores antiguos y nuevos en la misma placa de construcción para comparar los resultados.

El tamaño relativamente pequeño de los impulsores (60 mm de diámetro) requirió que el equipo desarrollara una 'cubierta de sacrificio', un recinto impreso temporal que mantenía las palas en posición durante la fabricación.

Mortajas de sacrificio y superficies más lisas

mate karesh, Velo3D dijo:

Lo realmente interesante de este enfoque es que los impulsores envueltos son, para la mayoría de las tecnologías aditivas actuales, básicamente intocables debido a todas las estructuras de soporte tradicionales que requieren.

"Utilizamos un enfoque, no sin soporte, pero con soporte reducido. Mohawk estaba diciendo, 'no necesitamos la cubierta al final, pero la cubierta hace que nuestra parte sea mejor, así que adjuntaremos esta cosa que normalmente es extremadamente difícil de imprimir, y simplemente córtalo después'".

"Usando la tecnología de Velo3d, pudieron construir esa cubierta desechable en su impulsor, obtener las formas aerodinámicas y de trayectoria de flujo que querían, y luego fue una operación de mecanizado muy simple para quitar la cubierta".

ingeniero mohicano, Rochelle Wooding, el acabado superficial fue otro enfoque:

La superficie era un poco áspera en nuestras primeras iteraciones.

"Lo interesante de la mortaja de sacrificio fue que nos dio una ruta de flujo a través de las hojas que podíamos usar para corregir la aspereza mediante el pulido por extrusión; se necesitó una iteración adicional para determinar cuánto material agregar a las hojas para lograr el resultado requerido. espesor de hoja que queríamos. El acabado superficial final que logramos es comparable al de una pieza fundida y se adapta a nuestros propósitos aerodinámicamente".

Pruebas futuras, perspectivas futuras

Los siguientes pasos son adaptar los AORB con los nuevos impulsores y probarlos en condiciones de campo. "Esperamos que la ejecución exitosa de estas dos tareas demuestre plenamente que las piezas de Inconel impresas en 3D entregadas por la tecnología LPBF son una alternativa viable y confiable para la fabricación de componentes de turbomaquinaria", dijo José Luis Córdova. Ya se está trabajando en el uso de AM para otras piezas del soplador, como carcasas y volutas.

"A través de estos proyectos financiados por el DOE, hemos podido desarrollar una biblioteca de partes comunes. Basados ​​en la idea original, ahora tenemos al menos tres plataformas completamente diferentes que pueden servir diferentes capacidades de energía para apoyar el progreso de la energía limpia de el futuro", concluyó José Luis Córdova.

La impresión 3D de piezas de celdas de combustible reduce los costos (enormemente), 21 de octubre de 2022