シーメンスエナジーは、2030 年までにすべてのガスタービンを水素で稼働できるようにするために積層造形技術を採用

2024年4月、アンタークティックベアは、シーメンスエナジーが水素燃焼とガスタービンの積層造形で大きな進歩を遂げたことを知りました。

△シーメンスエネルギー開発表

タッド・スタインバーグは、フロリダ州オーランドのシーメンス・エネルギー・アディティブ・マニュファクチャリング・アプリケーション・センターに勤務する空軍の退役軍人で、航空宇宙、産業用ガスタービン、金属アディティブ・マニュファクチャリングの分野で豊富な経験を持っています。同氏は2024年のAMUGカンファレンスで、シーメンス・エナジーが水素燃焼とガスタービンの積層造形で大きな進歩を遂げたと語った。 (AMUG (Additive Manufacturing User Group) は、積層造形と 3D プリントの教育と進歩を促進することに重点を置いたグローバルコミュニティです。AMUG ミーティングでは、世界中のエンジニア、設計者、マネージャー、教育者が集まり、積層造形に関する専門知識、ベストプラクティス、課題、アプリケーション開発を共有します。)

付加製造における水素燃焼とガスタービン
スタインバーグ氏は、シーメンスは2030年までに販売されるすべての新しいガスタービンが100％水素で稼働できるようになると予想しており、これは従来の天然ガスとメタンへの重点からの大きな転換となると述べた。この目標は、シーメンスのエネルギー分野におけるイノベーションへの取り組みを強調するものです。

この変革の重要な側面は、シーメンスエナジーによる付加製造の活用であり、これは水素がもたらす課題を克服する上で重要な役割を果たします。シーメンスは積層造形分野のユーザーとサービスプロバイダーの両方であり、2008 年からこの製造技術を活用しています。スタインバーグ氏は、シーメンスが電解装置を使った水素の製造から貯蔵、輸送まで、水素処理分野のバリューチェーン全体に関与していると指摘した。

△シーメンスエナジーの積層造形における経験

ガスタービン燃焼器を改造して水素を燃焼させる
スタインバーグ氏はまた、水素燃焼がガスタービンにもたらす複雑な課題と、それらの課題に対処するための重要なツールとしての積層造形についても詳しく説明しました。スタインバーグ氏は、天然ガスから水素への移行時に遭遇する困難について強調し、主に炎の挙動と燃料システムの要件の大きな違いに焦点を当てました。スタインバーグ氏が見つけた主な課題の 1 つは、水素の炎の速度が天然ガスよりもはるかに速く、バーナーの出口に非常に近いため、逆火などの問題を防ぐためにバーナーの設計を調整する必要があることでした。炎の速度が天然ガスの 10 倍に速くなると、独特の課題が生じます。

さらに、水素燃焼では同じ出力密度を達成するためにより多くの燃料が必要となり、移行がさらに複雑になります。これらの違いにより、同じ電力密度を達成するにはより多くの流量を追加する必要があるため、天然ガスで使用されるシールや配管などのコンポーネントは水素には適さない可能性があります。

付加製造は、Siemens Energy がこれらの課題に対処する上で重要な役割を果たします。付加製造により迅速なプロトタイピングが可能になり、企業は水素燃焼の独自のニーズを満たす新しい設計を迅速に反復してテストできるようになります。「付加製造は、これらの問題に対処するのに役立つ『てこ』であり、100%水素で稼働することに成功したSGT 600ガスタービンなどの開発プロセスにおいて重要です」とスタインバーグ氏は指摘した。

スタインバーグ氏はまた、2008年以来のシーメンスエナジーの付加製造技術の進歩的なアプローチについても概説し、シーメンスの水素への注力がどのように時間とともに進化してきたかを詳しく説明しました。 2012 年の最初の低水素濃度テストから近年の大幅な進歩まで、シーメンスはバーナーの水素機能を着実に向上させてきました。 2018 年までに、シーメンスは、迅速なプロトタイピングとテストのための開発サイクルに付加製造を統合する上で大きな進歩を遂げました。

3Dプリントガスタービンバーナー

スタインバーグ氏は、水素使用量の増加に合わせてガスタービンを改造する段階的なアプローチを概説し、水素濃度が増加するにつれてタービンの構造と制御システムを変更する必要があることを強調した。彼は、特に水素濃度が70パーセントを超える場合、タービン部品と制御機構を全面的に見直す必要があると論じた。

プレゼンテーションの主な焦点は、これらの新しいタービン部品の開発における積層造形の重要性でした。スタインバーグ氏は、水素適応プロセスのためのラピッドプロトタイピングと反復バーナー設計における積層造形の役割を強調しました。積層造形法を使用すると、試作プロセスが高速化されるだけでなく、バーナー先端の侵食や酸化などの運用上の問題の解決にも役立ちます。

△AMメタルバーナー

さまざまなガスタービンモデルに後付けするためのユニバーサルバーナーの選択は戦略的な動きであり、複数のモデル (SGT 600、700、900、750) にバーナーを選択することで、バーナーが缶燃焼システムか環状燃焼システムかに関係なく、シーメンスエナジーはイノベーションの影響を最大化することを目指しています。さらに、スタインバーグ氏は、水素燃焼の課題を解決し、運用効率を向上させるという、同社のアプローチの二重の利点を強調しました。

スタインバーグ氏のプレゼンテーションの重要なポイントは、ガスタービン部品に積層造形法を使用することの経済分析でした。積層造形部品の初期コストは高くなりますが、長期的には経済的な節約と効率性の向上が実現できます。「付加製造されたバーナーはまだ高価だが、在庫要件は軽減でき、在庫管理と税金のコストは大幅に削減できる」と彼は認めた。

△燃料としての水素と天然ガスの違い

積層造形によるバーナーの修理
Steinberg 氏は、付加製造によってバーナーの寿命を延ばす新しい方法について詳しく説明します。従来、バーナーを修理するには、コンポーネントの一部を切り取って新しいものを取り付ける必要がありました。しかし、シーメンスエナジーは、既存のバーナーに直接 3D プリントすることで革新を起こし、バーナーの耐用年数を大幅に延ばしました。彼はさらにこう語った。「バーナーの先端に熱交換器を組み込んだところ、標準の耐用年数は 10,000 時間ですが、現在では 50,000 時間を超えています。」さらに、スタインバーグ氏はこれらのバーナーを開発する反復的なプロセスについての洞察を共有し、多大な投資と労力がかかったことを指摘した。

△シーメンスエネルギーバーナースローン

3D プリントのエネルギー応用<br /> シーメンスエナジーのテッドスタインバーグ氏は、プレゼンテーションの中で、特にブラジルのブラスケムとのプロジェクトに重点を置きながら、実際のシナリオにおけるシーメンスの技術の実用的応用について説明しました。重点は、連続プロセスプラントのガスタービンで水素を利用することにあります。そこでは、排気ガス（主に水素）がリサイクルされ、タービンを通して燃焼されます。

セッションの最後に、スタインバーグ氏は、AM の価格設定は課題に直面していることを認めました。これは、この技術に必要なインフラストラクチャと投資コストが見落とされがちであり、商業化に向けて取り組む上で必ず直面しなければならない課題だからです。実際にはすべてのコストを製品価格に織り込む必要があり、これはエネルギー分野で高度な製造技術を採用することの複雑な経済的ダイナミクスも示しています。

要約する
2024 AMUGカンファレンスでのスタインバーグ氏のプレゼンテーションでは、特にガスタービンの燃料源としての水素の利用の適応において、エネルギー分野における革新的なソリューションに対するシーメンスエナジーの取り組みについて詳しく説明しました。さまざまな運用シナリオにおけるシーメンスのテクノロジーの成功と生産経済性への重点は、シーメンスの先進的なアプローチを実証しています。

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