気候変動対策における付加製造の役割

21 世紀に入って 20 年以上が経過した現在、気候変動への取り組みの重要性はますます高まっています。国連ネットゼロ連合は次のように述べています。「2050年のパリ協定では、地球温暖化を1.5°C未満に抑え、住みやすい気候を確保するために、10年以内に大幅な排出量削減を行う必要があると強調されています。」これを実現するために、重工業メーカーは急速に事業を構築し、多額の投資を行っている一方、テクノロジー系スタートアップ企業は新たなソリューションを生み出しています。この問題に対処するために工業メーカーが投資し、新しいテクノロジー企業が新しい解決策を生み出しているにもかかわらず、世界目標はまだ達成されていません。
本質的に、炭素回収には比較的単純な化学反応が関わっています。炭素回収・再生システムは、高炭素燃料を消費したり、大気中にさらに多くの炭素を排出したりすることで問題を悪化させないように、極めて高い効率で稼働する必要がある。言い換えれば、反応を起こすために、捕捉した炭素よりもはるかに少ない炭素を使いながら、できるだけ多くの炭素を捕捉する必要があります。理想的には、目標はゼロの炭素入力を、出力としての無制限の炭素回収と交換することです。

この問題に対処するには、カーボンネガティブなインフラが必要です。 CO2 排出量の削減に最も効率的、効果的、かつスケーラブルな方法は、直接空気回収 (DAC) を使用することです。直接空気回収は、空気から二酸化炭素を分離して、農産物、建築資材、燃料、プラスチック、化学物質など、経済に必要な製品を生産できる技術です。 DAC は、CO2 を建設的な目的で貯蔵する機能である隔離も可能にし、CO2 を脅威から機会へと変えます。
付加製造のメリット<br /> 大気から炭素を除去するには、フィルター、熱交換器、凝縮器、ガス分離器、コンプレッサーのシステムが必要です。これらの複雑な部品の多くは、従来の製造方法よりも効率的で潜在的にコスト効率が高く、DAC デバイスに大きなパフォーマンスと経済的メリットをもたらす積層造形に適した形状を必要とします。
エネルギー効率のための設計最適化。これらの炭素回収・利用システムに付加製造の設計最適化機能を適用すると、パフォーマンスと効率を大幅に向上させ、損失のないエネルギーに近づく可能性があります。デザインの自由度。付加製造により、大気中の炭素を効率的に捕捉して処理し、それを活用して何か有用なことをするために必要な新しい構造を設計の自由度で表現できるようになります。パフォーマンス。高温、腐食に耐性があり、高い熱伝導率を持つさまざまな合金を製造できます。スケーラビリティ。スケーラブルな製造を通じて迅速に利用可能になり、現場での機器に対する高い需要をサポートします。サプライチェーンの効率化。コンポーネントの統合と全体的な設計により、品質とサプライチェーンの合理化が可能になります。単一の部品を製造するために全国で複数のサプライヤーを使用することによる二酸化炭素排出量を無視することはできません。
付加製造は、このようなリアクターを製造するためのすべての要件を満たし、炭素回収のさまざまなニーズに対応するアプリケーションを可能にします。
△写真はRMCMI提供。
マイクロタービン装置<br /> マイクロタービンは、発電を含むさまざまな産業で新興技術となっています。これらは、エネルギー/炭素排出量を最小限に抑えたコンパクトなフォームファクターで、高圧で効率的なガスおよび流体の供給を実現する機会を提供します。炭素回収の効率は一般的な発電と非常に似ており、出力とエネルギー入力の関数です。
高性能で信頼性の高い空気圧縮とシステム圧力の安定性は、現在、そしてさらに重要なことに、将来にわたって炭素回収システムの機能にとって非常に重要です。産業用炭素回収システムがより商業的なユニットや分散型生産・運用へと移行するにつれて、高効率と小規模な運用を実現するために、新しい小型タービン技術を活用することがさらに重要になります。
機械式フィルター
△空気との接触と捕捉を最大化するように設計され、付加的に製造されたステージ 1 の機械式フィルターの例。炭素捕捉の重要な部分は、通常、炭素を引き付けるアミンでコーティングされた構造化された機械式フィルターを使用して、最初に炭素を「捕捉」することです。空気は、最初の段階である「直接空気接触」段階を通じてシステムに引き込まれます。空気と直接接触するフィルターの効率は、流入する空気とフィルター表面の接触を最大限にするフィルター構造によって最大化できます。付加製造により、このフィルターは機能重視の設計が可能になり、高レベルの乱流と混合、および空気との接触を最大限にするための大きな表面積が生まれます。
ここでは典型的な値が関係してきます。課題は、圧力低下を最小限に抑えながら、表面積を最大にするにはどうすればよいかということです。
熱交換器
△ 3DXpert ソフトウェアを使用して設計された熱交換器は、安定した温度を維持し、化学反応を持続させるのに役立ちます。
炭素回収では、廃熱が一般的な問題となります。最初の直接空気接触段階で捕捉された炭素は、機械フィルターから下流の精製段階に排出する必要があります。この技術の多くの実施形態では、加圧蒸気を使用してフィルターから炭素を放出することによってこれが達成されます。熱交換器は、蒸気生成プロセスから余分な熱を除去するために使用できますが、より一般的には下流でフィルター段階から出る炭素を多く含む蒸気の温度を下げるために使用されます。さらに、下流の蒸留および精製ステップと組み合わせた新しい熱交換戦略により、プロセスは安定した温度を維持し、化学反応を持続させて出力炭素製品を生成できるようになります。
ディフューザープレート<br /> ディフューザープレートは、大量のガスや液体を捕捉して混合するために化学処理でよく使用されます。流体拡散の動作原理は、光源を取り、光が平行なビーム経路で拡散するようにエネルギーを整理するという光のコリメーションの概念に似ています。ディフューザーは庭のホースのスプリンクラーヘッドに非常に似ており、液体の混沌とした流れを取り込み、構造化された均一な流れを作り出します。液体拡散プレートは、プロセスを通過する炭素を多く含む流体の均一な流れと処理を確保するためのプロセススタックの重要なコンポーネントです。
付加製造により、主にディフューザープレートの形状だけでなくディフューザーノズルの形状も複雑に設計できるため、大容量のディフューザープレートで効率的な液体拡散が可能になります。航空宇宙燃料ノズルの設計や半導体設備のプリントヘッドアプリケーションの概念を借用することで、積層造形による拡散板は機械加工のみの場合よりも 20 倍速く製造できます。
冷却器と蒸留器
△順方向反応中に発生する熱により、増圧器に埋め込まれた冷却剤チャネルがカラム温度を下げます。画像提供: ミシェル・レーマン/ORNL、米国エネルギー省。
濾過段階から出てくる炭素を多く含む製品は「汚れている」とみなされ、使用する前にさらに処理する必要があります。このダーティカーボンの再処理は別のシステムの外部で行うことも可能だが、そうするとダーティカーボン製品を収集して二次再処理施設に輸送する物流においてさらに多くの炭素が生成されることになる。最も価値が高く、将来性のある炭素回収システムには、ある程度の統合された汚れた炭素製品の後処理が備わっており、炭素回収システムの出力には、クリーンで使用可能な炭素製品と安全な水ベースの副産物が含まれます。
蒸留器や冷却装置が組み込まれた熱交換器を含む精製塔は、従来、数十枚の金属板シェルとステージ（最大数百ヤードの曲げパイプ）、および機械加工または鋳造された数十個のフランジ、継手、マニホールドを使用して、比較的複雑な方法で組み立てられてきました。これらすべてを調達して組み立てる必要があり、部品を製造して組み立てるだけで、全体的な炭素排出量と汚染がさらに増加します。
付加製造により、広範なコンポーネントの統合と全体的な設計が可能になり、サプライチェーンの大幅な統合と合理化が実現します。また、機能重視の効率的な設計も可能になり、仕上げ段階がスピードアップし、より小さなフォームファクターでより多くの成果が得られます。
マニホールド（液体、ガス、蒸気）
炭素回収は、化学物質、温度、圧力を利用して液体とガスを組み合わせる化学プロセスです。マニホールドは、プロセスチャンバーへの化学物質の供給から、熱交換器などのアクティブに冷却されるコンポーネントへの冷却剤の効率的な分配、一般的なガス分配アプリケーションまで、炭素回収において多くの用途があります。これらの部品の製造を困難にしているのは、耐薬品性や航空宇宙グレードの特殊材料が求められることではなく、多数の分岐ラインの圧力バランスを維持し、プロセスチャンバーを通じて流体を供給する必要があることです。効率的な 1 対多の分岐、均一な流体の流れ、およびスペースとアセンブリの制約は、付加製造が独自の利点を持つ形状の問題であり、これは今日の航空宇宙、防衛、半導体業界でこの技術が広く採用されていることからも明らかです。
将来、もっと楽に呼吸できるようになる可能性<br /> 直接空気回収と精製は大気中の炭素レベルを改善するための重要な技術であり、現在、付加製造によってこの技術の効率が大幅に向上しています。「3D Systems と AirCapture は、積層造形を活用して生産可能なコンポーネントを迅速に反復して作成することで、コラボレーションで大きな進歩を遂げました」と、3D Systems の最高ソリューション責任者である Steve Ehrlich 氏は述べています。「プロセススタックと熱交換に、これまで使用されたことのない非常に効率的な形状を適用できたため、捕集効率が向上し、フォームファクターとフットプリントが削減され、テクノロジーの導入が容易になり、最終的には拡張も容易になりました。高度な製造技術と設計ツールをさらに採用することで、気候が将来の世代にとって快適で住みやすいものになる方法を、より簡単に理解できると考えています。」

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