從挑戰到解決方案：氫經濟的增材制造
3D打印已經在氫經濟中找到了多種應用，這些應用涵蓋了從氫的生產、儲存到應用的各個環節。氫氣渦輪機和壓縮機部件設備方面，增材制造技術可以制造用于氫氣渦輪機和壓縮機的高性能部件，這些部件可以在高壓和高溫環境下運行。當前，增材制造被用于開發更精細的氫燃料噴射系統，以提高燃燒效率和減少排放。增材制造可以快速制造定制的接頭和適配器，以連接不同的氫氣系統組件，提高系統的兼容性和靈活性。
▲ 3D打印用于優化氫能設備關鍵零件-IGNITER項目
© RWTH DAP亞琛工業大學數字增材制造生產研究所
“增材制造技術為氫經濟的挑戰提供了多種解決方案，包括：
資源高效型組件：生產輕量化和優化設計的組件，以減少材料使用和提高能源效率。
需求驅動型材料：根據特定應用的需求定制材料特性，以提高性能和耐用性。
環保型組件表面：通過涂層和其他表面處理技術，提高組件的環保性能，如減少氫滲透和提高耐腐蝕性。”
脫碳和可持續能源是社會和政治討論的核心話題，我們需要清潔的替代品來替代推動氣候變化和污染環境的化石燃料，氫氣是一種可能的替代品。
然而，氫氣對企業和能源行業提出了挑戰：現有的基礎設施需要從化石原料和能源來源轉換而來，這需要大量投資。此外，氫氣生產（尤其是綠色氫氣）的效率和成本效益目前有限。氫氣還具有不同的燃燒和腐蝕特性。這改變了燃燒和運輸部件所用材料的要求，需要新材料和改進的設計。
氫經濟的增材制造是實現可持續能源轉型和減少溫室氣體排放的關鍵技術之一。亞琛工業大學的幾個個項目，IGNITER，H2MAT3D，HyInnoBurn，正在通過增材制造技術推動氫基燃燒系統的發展，以期實現更高效、更環保的能源使用。
IGNITER項目
該項目的目標是開發和應用基于模擬的燃料靈活燃燒器設計流程，以使用氫基燃料。增材制造技術在此過程中扮演著重要角色，因為它允許設計和制造復雜的幾何結構，這些結構可能通過傳統制造方法難以實現。通過模擬和增材制造的結合，研究人員可以優化燃燒器設計，以滿足嚴格的排放和性能標準。這包括：
燃料靈活性：設計能夠適應不同燃料類型的燃燒器，包括天然氣和氫氣。
排放控制：優化燃燒過程以減少有害排放，如氮氧化物(NOx)。
性能優化：確保燃燒器在各種操作條件下都能保持高效和穩定。
H2MAT3D項目
H2MAT3D -（氫基燃燒系統、高溫材料和激光增材制造之間的相互作用分析）
亞琛工業大學與卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 技術熱力學研究所和柏林工業大學 MfAM 合作，研究氫燃燒系統與增材制造生產的材料之間的復雜相互作用。研究重點是識別能夠提高氫燃燒效率和穩定性的高溫材料，同時突破 3D 打印技術的界限。
這些項目對于推進對氫基燃燒系統和增材制造的理解至關重要，為未來無碳能源技術的發展鋪平了道路。
H2MAT3D項目專注于分析氫基燃燒系統、高溫材料和激光增材制造之間的相互作用。研究的重點是識別和開發能夠提高氫燃燒效率和穩定性的高溫材料。這涉及到：
材料選擇：開發適用于氫環境的高性能、耐用和高效材料。
多材料增材制造：通過逐層優化材料組合，實現定制材料特性，結合耐磨、耐腐蝕和功能性。
表面功能化：使用超高速涂層技術，為管道等提供適應環境的內部和外部表面，以實現最佳的防腐保護并減少氫滲透。
▲ 理解增材制造工藝材料的相關性
© RWTH DAP亞琛工業大學數字增材制造生產研究所
在 H2MAT3D 中，RWTH DAP亞琛工業大學數字增材制造生產研究所及其研究合作伙伴通過實驗和數值研究了氫基燃燒系統與增材制造材料之間的相互作用。這將彌合 AM 燃燒器設計與燃燒過程中的工藝-材料相互作用之間的差距。
為了實現這一點，通過基于熱力學的合金選擇從鎳基高溫合金中分離出也可通過 AM-增材制造加工的耐高溫材料，特別是激光粉末床熔融 (LPBF)，和超高速激光應用 (EHLA) 生產增材制造工藝加工的材料，從而實現高通量合金開發。這項工作得到了微觀結構模擬的支持，微觀結構模擬將提供影響增材制造過程中高溫強度、降解行為和裂紋形成的信息因素。研究人員在氫氣燃燒實驗中研究了所生產的樣品，并在操作前后對其進行了表征，以揭示降解機制。燃燒實驗工作與燃燒模擬相輔相成，旨在了解材料由于熱導率和表面反應對火焰的影響。在 H2MAT3D 中獲得的基本理解將用于協調 AM 工藝條件和高溫材料，以實現效率更高的燃燒過程。這項研究的結果可用于增材制造的燃燒系統，其中定制的合金和復雜的幾何形狀有助于提高效率并減少燃燒過程對環境的影響。
HyInnoBurn項目
在ACAM亞琛增材制造中心的RWTH DAP與合作伙伴開發的HyInnoBurn項目中，HyInnoBurn項目致力于開發優化的工業燃氣燃燒器，以實現天然氣和氫氣的安全靈活運行。由于氫氣火焰的行為不同于天然氣火焰，該項目將開發優化的燃燒器幾何形狀以滿足特定的燃燒器要求，例如低排放或在鋼廠等具有挑戰性的環境中安全運行。燃燒器還應具有可擴展性，以滿足不同最終用戶的特定要求。AM-增材制造技術成為關鍵的生產技術，以賦予燃燒器設計最大可能的自由度以及輕松的可擴展性。
▲ HylnnoBurn項目
© ACAM亞琛增材制造中心
HyInnoBurn項目研究成員結合了發電廠技術、蒸汽和燃氣輪機研究所的過程分析，專注于開發通用工業燃燒器，以便使用由天然氣 (EG) 和氫氣組成的混合燃料靈活運行。
© Kueppers Solutions (左) and SMS-group (右)
對當前使用的燃燒器配置的初步調查構成了為 H2 燃燒器系統開發提供合適的數值和幾何模型的基礎，這些模型代表了不同氣體成分的燃燒和排放物形成的現象學。通過燃燒器的模擬和實驗分析，實現了燃料氣體中靈活的含量氫優化。其中，通過3D打印-增材制造工藝生產燃燒器實現大量優化選項至關重要。
最后，在實際操作條件下的污染物排放、溫度和過程穩定性方面展示HyInnoBurn項目的可擴展性和工業適用性。這為開發新型燃燒器系統的工業應用以HyInnoBurn項目的方法和能力應用到其他領域（例如固定式燃氣輪機和飛機燃氣輪機的燃燒器）奠定了基礎。
通過這些項目，亞琛工業大學展示了增材制造技術在推動氫經濟和實現可持續能源轉型方面的潛力。這些研究不僅有助于開發更高效的氫基燃燒系統，還為未來無碳能源技術的發展鋪平了道路。隨著技術的進一步發展和成本的降低，氫氣有望成為未來能源供應的重要組成部分。
(責任編輯：admin)
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