نقش برجسته فناوری پرینت سه بعدی در تحول به سوی انرژی‌های نو: انرژی بادی

در ادامه مصاحبه‌های صنعت پرینت سه بعدی در «بخش پرینت سه بعدی و انرژی‌های تجدیدپذیر»، این بار نوبت به کاربرد ساخت افزایشی در بخش انرژی بادی می‌رسد.

یکی از شرکت‌های پیشگام، به نام انرژی تجدیدپذیر جنرال الکتریک، قصد دارد پرینت سه بعدی را در این حوزه جایگزین کند. متئو بلوچی، رئیس بخش فناوری‌ پیشرفته تولید انرژی‌های تجدیدپذیر جنرال الکتریک می‌گوید: «ساخت افزایشی قابلیتی دارد که می‌تواند تغییر بزرگی در مصرف هزینه و عملکرد به وجود بیاورد و در صنعت انرژی بادی رقابت کند.»

بلوچی در ادامه از آخرین وضعیت جنرال الکتریک و اقدامات آن می‌گوید که قصد دارد با استفاده از فناوری سه بعدی، کارایی و عملکرد توربین‌های بادی را ارتقا دهد؛ و در آخر نیز بلوچی، درباره مزایای انتقال فناوری به بخش انرژی بادی صحبت می‌کند.

سریع‌ترین پیشرفتی که ایالات متحده در انرژی بادی داشته است، در سال 2020 اتفاق افتاد. تاسیسات انرژی بادی ساحلی، برای اولین بار و پس از سال‌ها توانست از انرژی خورشیدی پیشی بگیرد. تاسیسات دریایی انرژی بادی کشور آمریکا، در سال 2020 میلادی تنها 24 درصد نسبت به سال قبل افزایش یافت. نکته قابل تامل دیگری نیز وجود دارد که نشان می‌دهد استفاده از انرژی بادی دریایی برای تولید هیدروژن پاک، روز به روز طرفداران بیشتری به خود جذب می‌کند.

اتحادیه اروپا پیش بینی می‌کند تا سال 2026 میلادی، 40 درصد از برنامه خود را برای بهره برداری از انرژی‌های تجدیدپذیر جلو خواهد برد؛ برای تحقق این امر تا سال 2026، آن‌ها باید هر سال مزارع بادی جدیدی به ظرفیت 32 گیگاوات ایجاد کنند. به دلیل مشکلات و موانع موجود در زنجیره عرضه، تاسیسات بادی اروپا در سال 2021 تنها به 17.4 گیگاوات رسیده است، از این رو آیا فناوری پرینت سه بعدی می‌تواند یک فرصت استثنایی برای تسریع این روند باشد؟

پیشبرد میزان رقابت پذیری انرژی بادی با استفاده از فناوری پرینت سه بعدی

در فوریه سال 2021، وزارت انرژی ایالات متحده پروژه‌ای به جنرال الکتریک واگذار کرد و مبلغ 6.7 میلیون دلار به آن اختصاص داد؛ این پروژه با هدف کاوش در طراحی و تولید پره‌های توربین‌ بادی به روش پرینت سه بعدی تعریف شد. جنرال الکتریک در راستای اهداف این پروژه با آزمایشگاه ملی اوک ریج و آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر آمریکا همکاری دارد و در تلاش است با به کارگیری پرینت سه بعدی، رقابت پذیری هر دو نوع انرژی بادی ساحلی و دریایی را بالا ببرد؛ بدین صورت می‌تواند هزینه‌های تولید را کاهش و انعطاف زنجیره عرضه را افزایش دهد.

بلوچی می‌گوید: «چندین ایده فرآیند و طراحی، و همینطور ایده‌های مواد ترموپلاستیکی نو، غربال شده‌اند که مسیر ما را، یعنی استفاده از پرینت سه بعدی برای تولید پره‌های توربین را به خوبی روشن می‌سازد و البته در این میان از دیگر روش‌های پیشرفته تولید و خودکارسازی گسترده‌تر نیز استفاده خواهیم کرد.»‌

وی در ادامه از مزایای نوک‌ پره‌های توربین می‌گوید که به روش پرینت سه بعدی و از مواد کامپوزیت ترموپلاستیک ساخته شده‌اند؛ از جمله آنکه نسبت به همتایان خود که با روش‌های متدوال تولید می‌شوند، سبک‌تر هستند. کاهش وزن سبب می‌شود گردنده‌های بزرگ‌تری روی توربین قرار بگیرند و به دنبال آن انرژی بیشتری تولید کنند؛ به علاوه، این کار به توزیع بهتر کرنش در سراسر توربین کمک می‌کند؛ میزان سایش و فرسایش را در جعبه دنده، پیشرانه‌ها، بلبرینگ‌ها و فونداسیون کاهش می‌دهد و در آخر نیز هزینه‌های مربوط به چرخه عمر اپراتورهای توربین را پایین می‌آورد.

یکی از ابعاد این پروژه که برای جنرال الکتریک نیز اهمیت فراوانی دارد، بازیافت نوک‌های پرینت شده‌ی پره‌های توربین است که از مواد ترموپلاستیک تولید می‌شوند؛ به طوری که هرگاه عمر مفید این نوک‌ها به پایان برسد، بتوان آن‌ها را ذوب و سپس بازیافت کرد. همچنین تیم جنرال الکتریک به دنبال آن است که در تولید سایر اجزای توربین بتواند از مزایای فناوری پرینت سه بعدی و مواد ترموپلاستیک بهره ببرد تا مدت زمان عرضه قطعات به بازار، کیفیت و پایداری آن‌ها را ارتقا ببخشد.

بلوچی اعتقاد دارد که پرینت سه بعدی نه تنها مزایای مربوط به رقابت پذیری در بحث هزینه و عملکرد را برای بخش انرژی بادی به ارمغان می‌آورد، بلکه این فناوری «به بخش انرژی‌های تجدیدپذیر جنرال الکتریک کمک می‌کند در راستای تحول انرژی، سریع‌تر و ایمن‌تر، از مشتریان ما حمایت کند.»

گروه Fraunhofer IGCV و تولید کننده سیستم بایندر جت به نام voxeljet در سپتامبر اعلام کردند که قصد دارند «بزرگ‌ترین پرینتر سه بعدی توربین بادی» ساخته شده در دنیا را بسازند. این سیستم که «سلول پیشرفته ریخته‌گری» نام دارد، به طور اختصاصی برای پرینت قالب‌های ریخته‌گری قطعات توربین‌های دریایی جنرال الکتریک به نام Haliade-X، ساخته می‌شود. جرم هر توربین نیز به 60 تن می‌رسد.

بلوچی در این باره می‌گوید: «تنها چند ماه از آغاز این برنامه می‌گذرد و ما هنوز در فاز ابتدایی توسعه ایده‌ها و مفاهیم قرار داریم.» او ادامه می‌دهد: «همانطور که اواخر سال پیش، هنگام واگذاری پروژه صحبت کردیم، هدف این پروژه تسریع و بهینه سازی تولید اجزای اصلی توربین دریایی Haliade-X جنرال الکتریک است که باید ریخته گری شوند. به ویژه، در آستانه انجام پروژه‌‌های بادیِ دریایی، فناوری پرینت سه بعدی انعطاف پذیری خوبی در تولید اجزای توربین‌های بزرگ از خود نشان می‌دهد به طوری که سبب کاهش هزینه‌های حمل و نقل می‌شود و مزایای زیست محیطی به همراه دارد.»

به گفته بلوچی، تیم پروژه اکنون مشغول گردآوری جزئیات مشخصات پرینتر هستند و بعد از پایان این کار، voxeljet فاز طراحی را در این پروژه آغاز خواهد کرد که شامل ساز و کار پرینتر جدید می‌شود.

مزایای ساخت افزایشی در حوزه انرژی بادی

انرژی بادی این روزها موضوعی است که به دنبال مقابله با بحران جهانی آب و هوا، توجه بسیاری به خود معطوف ساخته است و این امر با اهداف بلندپروازانه قطع انتشار گازهای گلخانه‌ای مطابقت دارد. در این راستا تحقیقات گسترده‌ای در حال انجام است تا خود توربین‌های بادی نیز بیش از پیش، دوستدار محیط زیست باشند.

برای مثال، آزمایشگاه ملی انرژی‌ تجدیدپذیر آمریکا، برای تولید پره‌های توربین با فناوری پرینت سه بعدی یک روش تولید توسعه داده است که عملکرد پره‌ها را ارتقا می‌دهد و پس از پایان عمر مفیدشان، قابلیت بازیافت پذیری بهتری خواهند داشت؛ دانشگاه مین نیز در حال حاضر روی یک فرآیند چاپ سه بعدی قالب پره‌های توربین دوستدار محیط زیست کار می‌کند، که این پروژه با اختصاص مبلغ 2.8 میلیون دلار از طرف دولت حمایت می‌شود. در جای دیگری، مهندسان دانشگاه‌های مک‌گیل و رایرسون طی پروژه‌ای در پی آن هستند که پسماند پره‌های توربین را به مواد PLA جدید و قابل پرینت تبدیل کنند؛ این مواد در قطعاتی به کار می‌روند که با الیاف تقویت شده‌اند.

بلوچی درباره جنرال الکتریک می‌گوید: «برای ساخت ابزار مورد نیاز اجزای کوچک و بزرگ، و همینطور ساخت نمونه‌های اولیه، فناوری پرینت سه بعدی اکنون به قدری تکامل یافته است که می‌تواند به ما کمک کند و این امر تاثیر فوری و مستقیمی بر کارایی کارخانه ما به جا می‌گذارد.» او ادامه می‌دهد: «اگر بخواهیم به طور مستقیم از پرینت سه بعدی برای تولید محصولات خود استفاده کنیم، به مقداری زمان نیاز خواهیم داشت در صورتی که این احتمال آزاردهنده به نظر می‌رسد و ما نیز دائما به دنبال یافتن موارد استفاده متفاوت هستیم.»

بلوچی می‌گوید که جنرال الکتریک، با توجه به هر مورد استفاده و متناسب با آن، همه مزایای متدوال پرینت سه بعدی را در نظر می‌گیرد و فراتر از انرژی بادی، نگاهی جامع به چشم‌انداز مجموعه‌ی‌ برنامه‌ها و پروژه‌های مربوط به انرژی‌های تجدیدپذیر دارد. از جمله مزایایی که گفته شد می‌توان به مدت زمان مطلوب عرضه محصول، چاپ سه بعدی قالب‌های ریخته‌گری، تشکیل یک زنجیره عرضه درون شهری، سریع و دارای انعطاف بیشتر، و به علاوه افزایش ثبات کیفیت اشاره کرد که اصولا از ماهیت خودکار و دیجیتال این فناوری ناشی می‌شود.

او ادامه می‌دهد: «به علاوه، با وجود پرینت سه بعدی درهایی به سوی طراحی‌های کارآمدتر گشوده می‌شود که با توجه به مکان و کاربرد خاص خود، شخصی سازی می‌شوند. برای نمونه، در طراحی استاندارد توربین‌های بادی، ویژه یک مکان مشخص، ارتفاع هر توربین 90 متر عنوان شده است، اما پس از انجام تجزیه و تحلیل‌های دقیق در محل ممکن است به این نتیجه رسید که اگر در یکی از بخش‌های خاص مزرعه بادی ارتفاع همه برج‌ها 120 متر لحاظ شود، حاصل منطقی‌تر و معقول‌تر خواهد شد.»

«در این صورت، می‌توانیم همانجا در مکان نصب برج‌ها، به اندازه 30 متر اجزای مورد نیاز برج‌ها را پرینت کنیم و سپس اجزا را به برج‌های قبلی و استانداردی که 90 متر ارتفاع داشتند، اضافه کنیم تا به عملکرد بهینه دست یابیم.»

بر اساس گفته‌های بلوچی، این رویکرد نسبت به خیلی از رویه‌های موجود، در دو جنبه از پایداری بیشتری برخوردار است. این رویکرد نه تنها مقدار انرژی پاک و تجدیدپذیر تولید شده را به حداکثر می‌رساند، بلکه با کاهش تعداد قطعاتی که باید تولید و سپس در فاصله‌های مکانی دور جا به جا شوند، سبب می‌شود ردپای کربن در این پروژه پایین بیاید.

کمک به تحول انرژی‌های تجدیدپذیر با پرینت سه بعدی

بلوچی دریافته است که فناوری پرینت سه بعدی در ابعاد متعددی به «بخش انرژی تجدیدپذیر» و همینطور «بخش جامع انرژی» مجموعه جنرال الکتریک، در تحول نسل پاک‌تری از انرژی، کمک شایانی کرده است.

«به طور کلی این فرآیند تولید، مصرف انرژی پایین‌تری دارد و پسماند کمتری تولید می‌کند.» این را بلوچی می‌گوید؛ سپس ادامه می‌دهد: «برای مثال، پرینت سه بعدی با استفاده از ابزارهایی مانند بهینه‌سازی توپولوژی، قابلیت طرح رویه‌های جدید طراحی را ارائه می‌دهد. چنین رویکردی در طراحی، به مهندسان ما این توانایی را می‌دهد که نسخه‌های متعددی از طراحی را آزمایش کنند و در نهایت، در پاسخ به چالش‌های به وجود آمده راه حلی را انتخاب کنند که کارآمدتر از بقیه و مقرون به صرفه باشد. به دنبال این امر، تیم ما نیز قادر می‌شود از قطعاتی استفاده کند که انرژی کمتری برای تولید آن‌ها صرف شده و پسماند کمتری تولید می‌کنند.»

به علاوه بلوچی به این نکته اشاره می‌کند که قابلیت توانمند این فناوری در ساده کردن فرآیندها و تدارکات خط مونتاژ است که سبب می‌شود ردپای کربن کارخانه کاهش پیدا کند.

وی در ادامه توضیح می‌دهد: «با وجود پرینت سه بعدی، می‌توانیم روش‌هایی بیابیم که با یکی کردن چندین جزء مختلف و ساخت یک قطعه واحد، طراحی اجزا را بهبود ببخشیم. یک مونتاژ مکانیکی، معمولا از چند قطعه تشکیل شده است که هرکدام از این قطعات نیز به طور جداگانه ساخته شده‌اند و سپس سرهم بندی می‌شوند؛ به روش ساخت افزایشی می‌توان چنین مونتاژی را به صورت یک قطعه واحد تولید کرد، به طوری که حتی اگر هندسه قطعه نهایی بسیار پیچیده باشد، تکه‌ها چاپ می‌شوند و بلافاصله باهم ترکیب می‌شوند.»

تعداد قطعاتی که جنرال الکتریک نیاز دارد طراحی و تولید شوند، با کمک فناوری ساخت افزایشی کاهش می‌یابد، بنابراین علاوه بر این که فرآیند مونتاژ آسان می‌شود، با این کار دوام و ثبات محصولات خود را نیز افزایش می‌دهند. به هم فشردگی قطعه باعث می‌شود فرآیند جداسازی قطعات مونتاژ شده‌ای که عمر مفید آن‌ها پایان یافته است، بهتر باشد و به دنبال این امر، روند بازیابی و چرخه بازگشت مواد کارخانه بهبود یابد.

بلوچی اضافه می‌کند: «پرینت سه بعدی همچنین باعث می‌شود در طراحی‌ها، ترکیب و تلفیق مواد بازیافت شده با مواد دست دوم آسان‌تر شود. برای نمونه، به دنبال شیوه‌هایی می‌گردیم که به هنگام چاپ سه بعدی برج‌ توربین‌های جدید، بتوانیم از مواد حاصل از بازیافت پره‌ توربین‌های از کار افتاده استفاده کنیم؛ در این راستا با شرکت Holcim، دو مشارکت نویدبخش داریم که هر دو مورد پیشرفت مطلوبی داشته‌اند.»

«به همین ترتیب نیز، در تلاشیم به راه حل‌هایی برسیم که بتوانیم برای ساخت پره توربین‌های بادی پیشرفته‌، از مواد ترموپلاستیک بهره بگیریم که در این مسیر حمایت وزارت دفاع را همراه خود داریم.»

نظر به همه این‌ها، نوآوری‌های فناوری پرینت سه بعدی به طرز چشمگیری می‌تواند مقدار مواد مورد نیاز را برای تولید توربین‌های بادی جدید، کاهش دهد. بر اساس صحبت‌های بلوچی، نتایج آنالیز ارزیابی چرخه عمر که اخیرا انجام گرفته است، نشان می‌دهد به کار گرفتن چنین فرآیند تولید پیشرفته‌ای برای تولید قطعات ریخته گری شده بزرگ در قسمت بالایی برج‌ها، باعث می‌شود انتشار گازهای گلخانه به اندازه 15 درصد کاهش پیدا کند. همچنین نتایج این آنالیز حاکی از آن است که استفاده از فناوری‌های پیشرفته تولید در ساخت نوک پره‌ها 10 درصد، و در ساخت برج‌های بلند توربین‌ها 25 درصد انتشار گاز گلخانه‌ای کمتری دارد.

«به سوی جلو گام برمی‌داریم و برای توسعه فناوری‌های خلاقانه و نو، به همکاری با مشتریان و شرکای خود در صنعت ادامه می‌دهیم تا به تسریع تحول انرژی کمک کنیم؛ به شیوه‌ای که تمرکزمان تنها بر استفاده از طراحی دایره‌ای و پایدار باشد و به گونه‌ای که مزیت‌های زیست محیطی را برای همه ذینفعان به حداکثر برسانیم.» در آخر بلوچی با این جملات، نتیجه صحبت‌های خود را ارائه می‌کند.