碳中和背景下的能源赛道上3D打印崛起的创新蓝海
根据财联社3月9日讯，拜登政府将投入60亿美元资金，加快钢铁、铝和水泥制造等高耗能行业的脱碳项目，这些行业占到了美国温室气体排放总量的近25%。美国能源部表示，这一名为工业示范计划的项目将向技术开发商、工业界、大学和其他机构提供竞争性拨款，用于支付旨在减少工业排放的项目高达50%的成本。这些工业领域还包括了化学品、陶瓷和造纸生产。美国能源部称，该计划是美国总统拜登到2050年实现美国净零排放目标承诺的一部分，同时也将有助于加强和确保美国未来几十年在全球制造业中的领导地位。
根据海南绿色金融研究院，碳中和目标下全球迎来投资热潮，碳中和、零排放正在以前所未有的方式重塑投资。基于多家研究机构估算，未来三十年内，我国实现碳中和所需投资规模在百万亿元以上，将为绿色金融带来巨大的发展机遇。循环经济专注于通过尽可能长时间地解决生产和使用周期中的材料使用问题，引领真正的可持续发展之路。ACAM亚琛增材制造中心指出3D打印-增材制造技术为可重复使用、有效利用资源、按需生产和增加材料价值提供了巨大的机会。而清洁发电这条万亿元赛道上，3D打印将崛起新的蓝海创新机遇。
核电站
© Škoda JS
根据ACAM亚琛增材制造中心，3D打印促进循环经济体现在几个方面：材料的可重复利用，材料健康，可再生能源及碳排放管理，水资源管理，社会公平。根据海南省绿色金融研究院，从全球来看，电热力部门、工业部门、交运部门都是碳排放的主要来源部门。中国能源、工业和交通运输三个领域合计碳排放占比超过90%，是未来实现碳中和目标节能减排的关键领域。从碳排放源出发，中国碳中和的路径，主要也是电力部门脱碳化、工业部门节能化、交运部门电力化、建筑部门绿色化，除此之外，还有公共部门承担着环保减碳的责任。其中，电力部门脱碳路径比较清晰，即发展光伏、风电替代火电，交运部门的减碳技术更为成熟，目前新能源汽车已进入发展快车道，而工业部门减碳的难度最大，一方面要靠能源替代（绿电代替化石能源，如电解铝），另一方面，要靠电气化（如钢铁行业）或新技术、新工艺（如水泥）。
清洁能源背后的3D打印
总部位于印第安纳州的康明斯是全球最大的发动机制造商之一，该公司宣布到 2027 年将投资 15 亿美元用于清洁能源发电和储存的新技术。作为长期计划的一部分，康明斯还宣布将 将其 New Power 部门更名为 Accelera。
康明斯在其供应链中部署金属增材制造 (AM) 方面拥有丰富的经验。是首批拥有 GE Additive 金属粘结剂喷射平台之一的客户之一，康明斯首个运用新型高精度Binder Jet（粘合剂喷射3D金属打印）技术生产的零部件是康明斯排放处理系统（CES）用于大马力发动机的喷枪头适配器，喷枪头适配器是康明斯发动机排放系统的重要零部件，它将柴油发动机的废气雾化，并喷射到发动机废气流中，以减少发动机的氮氧化物（NOx）排放，是粘结剂喷射3D打印技术迈向工业4.0的一个里程碑。
© 康明斯
康明斯与GE Additive公司积极合作第三代Binder Jet技术，以支持更高产量、更高质量、更低成本的工业化解决方案。
康明斯这 15 亿美元中的很大一部分几乎肯定最终会进入 AM -增材制造领域，特别是考虑到这些资金的目标是脱碳。此外，到 2050 年实现净零排放，是目前全球政府、机构和企业中最大排放者的基准。
美国政府针对清洁能源目标正在采取进一步行动，包括提供 60 亿美元资金以支持美国工业的脱碳。短短的八天内，连同通用电气、西门子和康明斯宣布的超过 20 亿美元的总投资额，美国宣布的对先进制造和清洁能源的投资总额超过 80 亿美元。
永久性的改变核能技术
3D科学谷表示，与航空工业发生的3D打印产业化进展类似，3D打印正在开发中永久性地改变核能技术的过程中，3D打印和先进的制造技术可能彻底改变核能工业，以小型堆推动能源系统的低碳转型。
© 3D科学谷白皮书
一个值得注意的发展趋势是在未来 30 年内，许多现有的核反应堆可能会退役，因为它们基于 70 年历史的轻水技术。国际上，西屋推出了下一代伊达芬奇（eVinci）微型核反应堆，另外一家企业USNC通过与ORNL国家橡树岭实验室的合作，使用粘结剂喷射3D打印技术制造核能发电的包覆燃料的基体和(或)包覆层的燃料元件。USNC 使用碳化硅制造其核反应堆核心部件，碳化硅是一种据报道已被证明可以耐受辐射的耐高温陶瓷。然而，用碳化硅加工反应器部件非常耗时且昂贵。ORNL 的增材制造方法将使 USNC 能够更有效地使用碳化硅制造组件，同时实现所需的复杂形状。
根据3D科学谷的了解，粘结剂喷射技术制造碳化硅陶瓷的最近发展是使用具有单峰和双峰粒度分布的 SiC 原料粉末3D打印预制件。在惰性气氛中，在高于 1410°C 的温度下用熔融硅渗透打印的预制件，以形成 SiC-Si 复合材料。所有打印和试样的密度、弹性模量、弯曲强度和断裂韧性都随着 SiC 的体积分数而增加。使用双峰原料粉末制造的试样在所有测试的体积分数 SiC 下都具有更高的密度、弹性模量、弯曲强度和断裂韧性。与传统成型相比，通过粘结剂喷射然后后处理形成的样品具有相当的密度、弹性模量和弯曲强度，但较低断裂韧性。
下一代核能技术
3D打印正在为核能发电创造新的可能，助力下一代核能技术的开发与发展。核电是我国能源供应体系的重要分支，也是新能源的重要组成部分。根据BP2021年报告，到2020年中国核能发电量达到366.2 TWh，占全球总量的13.6%。2020年中国居世界第二位，仅次于美国30.8%。但是中国运行、在建和拟建反应堆数将超过美国。目前，我国核电行业-核电站运营企业的数量不多，因存在严格的行政准入门槛、资金门槛和技术门槛等，主要公司包括：中国广核、中国核电、国家电投大唐发电等，中国已有自己的核能反应堆研发能力。
根据中国核电网，Škoda JS是欧洲领先的工程和制造公司之一（被捷克国家电力集团ČEZ 收购），在核电站的建设和服务方面具有丰富的经验。该公司成立于1859年，并于1956年开始发展其核电专业知识。从那时起，它一直活跃在该领域，最初为苏联工厂提供设备，但在苏联解体后也开始向西方工厂提供设备。在其存在期间，公司为中欧和东欧、斯堪的纳维亚半岛、法国、德国、美国、奥地利、芬兰、比利时、中国、亚美尼亚和其他国家的核电站、研究反应堆和旧核燃料储存设施提供资本单位、设备和服务。
根据3D科学谷的市场观察，ČEZ 和 Škoda JS 已经生产 4159 个 3D 打印部件以解决供应链问题，计划扩大核部件 3D 打印的使用。Škoda JS 在其位于比尔森的工厂拥有用于生产大型金属部件的 3D 打印机，并且在捷克的两个核电站也拥有较小的3D打印机。
增材制造已与3D扫描一起使用，这有助于在3D打印过程之前准备数据。对于形状非常复杂的零件，例如变速箱的齿轮，最好使用 3D 技术，而且3D 生产零部件的部署有助于减少停机时间并提高电厂产量，而不会影响电力的安全供应。
据悉，ČEZ 目前正在评估西屋电气、EDF 等在杜科瓦尼建造一座新反应堆的投标。在 Temelín 附近，一个区域已被指定为南波希米亚核公园，并指定用于在 2030 年代初期运行的小型反应堆。
降排放
从更宽的范围来看，AM-增材制造工艺还可以成就更清洁的能源。在一个联合研究项目中，FH Aachen – 亚琛应用科学大学和亚琛的Fraunhofer IPT 弗劳恩霍夫生产技术研究所与不来梅的 Präwest Präzisionswerkstätten GmbH & Co KG 一起使用增材制造生产了一个采用新设计的氢气燃烧室，可以显着减少氮氧化物的排放。
3D打印喷油嘴的应用与技术逻辑
© 3D科学谷白皮书
基于仿真模拟，亚琛研究人员预测使用 LPBF选区激光熔融金属3D打印可以显着减少组装所需的时间，并将这种燃烧室的成本降低多达90%。除了新的设计带来的燃烧对生态的保护和经济优势外，LPBF选区激光熔化金属3D打印还使制造过程更具可持续性，与传统生产方式相比使用了更少的资源。
AM-增材制造工艺不仅有助于降排放，还可以提升能源利用的经济性，进一步的创造清洁的蓝天。
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