プロトラブズ、地熱エネルギー用途の大型金属パッカーを3Dプリント

2022年8月、米国エネルギー省（DOE）はアメリカ製地熱製造賞の最優秀賞受賞者のリストを発表しましたが、その中の1社がDownhole Emerging Technologies（DET）でした。ヒューストンを拠点とするこの新興企業は、地熱エネルギーを抽出するための全金属製システムの開発により、50万ドルの賞金（および最大20万ドルの追加資金）を獲得した。
△画像出典：Wikipedia
DET が作成した部品は、石油およびガスの掘削に使用される金属パッカーであり、ミネソタ州に拠点を置く高度な機械加工および積層造形 (AM) サービスのプロバイダーである Protolabs によって印刷されました。 Protolabs チームが公開したケーススタディでは、DET 向けの金属パッカーの積層製造に関する取り組みについて概説しています。このケーススタディは、地熱エネルギー分野で AM が果たす役割を強調するだけでなく、再生可能エネルギー分野での AM の可能性を示すのにも役立ちます。
△画像提供：Protolabs
Protolabs によれば、従来の機械加工で製造できるように部品を設計しようと何度も試みた後、DET は最終的に積層造形でのみ製造できる反復に落ち着いたとのことです。 Protolabs は、直接金属レーザー焼結 (DMLS) プラットフォームである GE Additive X ラインプリンターでインコネル 718 を使用して、Diamond Extreme Temperature Isolation Packer (E-TIP) と呼ばれる賞の最終部品を印刷しました。
パッカーは、油井やガス井などの地熱エネルギー源の掘削に不可欠な部品です。パッカーは、油井に注入されるセメントの土台を作るものです。地熱エネルギーを抽出する方法は多種多様ですが、発電所向けの強化地熱システム (EGS) のコンセプトでは、すべて深井戸を掘削して自然に発生する温水または蒸気を地表に引き出し、発電します。抽出された液体または蒸気は、直接的な加熱源として使用されたり、イソブタンなどの別の燃料源を加熱するために使用されます。
△画像出典：DET
市販の石油・ガスパッカーは一般的にゴムやプラスチックで作られていますが、これらの材料は一般に地熱エネルギーに伴う高温には適していません。また、金属パッカーの新しいデザインを開発するという課題を考慮して、DET のチームは、望ましいデザインの最終バージョンがユニークな形状になるため、重工業の最終製品アプリケーションでよくあるように、積層造形技術を選択しました。 DET の CEO である Ken Havlinek 氏は、Protolabs のコンテンツチームとのインタビューでこれについて説明しました。
ハヴリネック氏は、DET が積層造形に目を向けた理由を次のように簡潔にまとめています。「パッカーの製造に他の処理方法を選ばなかったのはなぜでしょうか。パッカーが中空であるという事実の他に、3D プリントにより適している要因が他にもあります。具体的には、圧縮や伸張に必要な力が少なく、まったく同じ変形と性能が得られるように設計しました。この装置をセットアップし、取り外したり引っ込めたりするのに、できるだけ少ないエネルギーしか使いたくないのです。これらの操作に必要な力が少ないほど良いのです。つまり、3D プリントによって必要な力を減らすことができるのです。」
△画像出典：DET
ハヴリネック氏はまた、DET の当初の目標は、独自のパッカーシステムを開発するだけでなく、まったく新しい設定システム (パッカーを配置して圧力をかけるシステム) を開発することだったと述べました。特に DOE のコンペで要求された時間枠内では、複雑な設計は積層造形技術によってのみ実現可能であり、これにより DET と ProtoLabs は、市販のセットアップシステムを活用しながら目的を達成できるパッカーコンセプトを実行することができました。
△画像出典：DET
この最新世代の地熱エネルギーシステムは、一般的な高度な製造技術、特に積層造形によってサポートされるサプライチェーンの予想規模に比べて、最適なタイミングで登場しています。これ自体が、DET と Protolabs が提供したコースの関連性、つまり再生可能エネルギー分野の企業がサプライチェーンに付加製造を組み込むことで得られる利点を示しています。簡単に言えば、再生可能エネルギー企業は、現在市販されているものを最大限に活用しながら、新たな課題が発生したときに独自の斬新なソリューションを生み出すことができます。再生可能エネルギーの供給者は、既存のサプライチェーンに比較的制約されずに、その恩恵を受けられる理想的な立場にあります。
したがって、再生可能エネルギー企業にとって付加製造が論理的な選択となるのは、これら 2 つの業界の規模拡大が偶然に同じタイミングだったからというだけではありません。長期的に世界経済が再生可能エネルギーへと移行するほど、従来の化石燃料サプライチェーンの場合ほど、再生可能エネルギーには万能な解決策が機能しないことが明らかになります。再生可能エネルギーは、その性質上、周囲の生態系に逆らうのではなく、それと連携して機能する必要があるため、再生可能エネルギー企業は、特定の用途向けにハードウェアを設計する必要がある状況にますます直面することになります。 DET と Protolabs が提供したケーススタディが示すように、付加製造は、この取り組みの成功を確実にする上で不可欠なツールとなります。

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