地熱エネルギー産業のスタートアップ: 3D プリント地熱全金属製井戸パッカー

地熱エネルギー産業のスタートアップ: 3D プリント地熱全金属製井戸パッカー
はじめに: 地球上の天然資源は無尽蔵ではなく、代替資源の探索のペースも加速しています。石炭、天然ガス、プロパンなどの化石燃料やその他の炭素ベースのソリューションは、環境に多大な問題を引き起こします。化石燃料の燃焼に伴う温室効果ガスやその他の汚染物質は、どこにでもある問題です。


△DET創設者のTingji “TJ” Tang博士とKen Havlinek博士。

再生可能エネルギーに向けて<br /> 企業も消費者も、価格と可用性の安定性を提供する自社開発のソリューションを求める傾向が高まっています。大企業にとっては、地熱が解決策の一つとなるかもしれません。 「足元の太陽」として知られる地熱システムは、地球の極度の熱を利用してタービンを駆動し、クリーンかつ信頼性の高い電気を生成します。タービンを駆動するのに十分な熱を供給できる地表に到達するにはかなり深いところまで掘る必要がありますが、その利点は明らかです。地熱源は安定しており、政治的および経済的混乱の影響を受けません。

これを認識し、米国エネルギー省(DoE)は2020年にAmerican Make Geothermal Manufacturing Awardを創設し、付加製造(AM)または3Dプリンティングに重点を置いて、この再生可能資源の研究を進めるために460万ドル以上を提供しています。 2022年、ヒューストンを拠点とするDownhole Emerging Technologies(DET)は、AM技術を使用して地熱井の熱と蒸気の流れを制御する重要な要素である新しいパッカーシステムを開発したことで、50万ドルの大賞を受賞しました。

地球深部での生存



最高 700° F (371° C) の極端な温度 (一部の金属を溶かすほど) と非常に腐食性の高い環境の中で、人間はこの「異常な」環境に耐えられる適切な材料と部品の形状を見つける必要があります。これには、各部分の有効性を判断するためのモデリング、テスト、および反復が必要です。 DET の創設者である Ken Havlinek 氏と Tingji "TJ" Tang 氏は、長年にわたり石油・ガス業界で働いてきました。これらの用途の井戸は浅いため、パッキング材は通常ゴムやプラスチックで作られており、地球深部の高温で溶けてしまいます。このコンテストでは、パートナーは地熱エネルギーの分野に知識を移し、3D プリント技術を使用したソリューションを設計しました。

3D プリントは反復を加速します<br /> 従来、部品は CNC 加工または射出成形のいずれかを使用して製造されてきました。どちらも優れた部品を生産しますが、望ましい結果を得るために設計を微調整するプロセスは複雑であり、反復ごとに新しいツール (金型) を作成するのは時間がかかり、コストもかかります。

慎重に評価した後、DET は包装機を含む多数の部品を印刷しました。 3D プリントには十分な時間的利点もあり、迅速な反復が可能になり、部品設計を改善する機会が提供されます。ハヴリネック氏は、「地熱の課題に取り組む私のような専門家は、積層造形がもたらす価値を必ずしも高く評価したり理解したりしているわけではありませんが、プロトラブズが提供する迅速な製造設計のアドバイスのおかげで、DET は複数の材料を試し、形状を微調整し、数日のうちに結果を確認することができます」と認めています。

部品の背後にある技術<br /> 極度の高温と腐食性の地下環境で「生き残る」ことができるものは他にないため、部品は金属で作られる必要があります。研究者らは、直接金属レーザー焼結法(DMLS)を使用して部品を作成した。これは、粉末金属をベース材料として使用し、部品を層ごとに構築する印刷プロセスである。小さな金属粉末粒子が高出力レーザーによって溶接される。基本的に、レーザーは粉末床内の部品を描画し、すべての層が形成されて部品が完成します。

DMLS を使用する利点の 1 つは、鋳造、鍛造、機械加工などの従来の製造プロセスでは製造不可能な複雑な形状に合わせて部品を設計できることです。さらに、これらの金属の硬度は、その金属の固体ブロックと同等です。これらの理由から、多くの企業が複雑な部品の製造に DMLS を採用しています。 DMLS では、アルミニウム (AlSi10Mg)、コバルトクロム、インコネル 718、2 種類のステンレス鋼 (17-4 PH および 316L)、チタン (Ti6Al-4V) など、腐食剤や熱に対する強度や耐性が異なるさまざまな金属も取り揃えています。

実際のニーズでは、DET の部品の 1 つを GE Additive X Line 2000R プリンターで印刷する必要があります。高さ19インチ(482.6 mm)、幅4.7インチ(119.4 mm)のスリーブは、Protolabsがこれまでに印刷された金属部品の中で最も高さのある部品です。

パッカーの最も重要なコンポーネントの 1 つである大きな環状部は、効果的に形成され、一貫して変形できる必要があります。これは製造が非常に難しく、CNC 加工でこれらの仕様のリングを作ると大量の金属スクラップが発生し、通常はコストが高くなります。この場合、パフォーマンスに重要な内部機能を備えた部品を機械加工することは不可能だったため、DET チームは部品を修正して 3D プリントしました。付加製造により設計の自由度が高まり、チームは創造性を発揮して、機械加工では実現不可能なレベルまで構造の特徴を押し上げることができます。

ハヴリネック氏は次のように付け加えました。「3D プリントがなければ、この作業は困難だったでしょう。私たちは、パッカー システムの操作中に必要なすべての機能を、できるだけ少ない製造ステップで実現したいと考えていました。積層造形のおかげで、設計目標を達成することができました。」

荷物をまとめて出発



今後数か月間、DET のパッケージング システムは、市場に投入される前にテストと改良が行われます。 DOE とラピッドプロトタイピングがこの夢の始まりであり、その結果はエネルギー生産のより持続可能で安全な未来の到来を告げるのに役立つでしょう。同時に、世界中のデザイナーに、プロジェクトで 3D プリントされた部品を使用するための新しいアイデアも提供します。

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