3D-Druck von Brennstoffzellenteilen senkt die Kosten (enorm)

Der 3D-Druck von Brennstoffzellenteilen senkt die Kosten (enorm).

Mohawk Innovative Technology wendet sich an Velo3D, um den Preis für Anodenabgas-Recyclinggebläse um 60 % zu senken.

Es ist bekannt, dass Kohlenwasserstoffe bei der Verbrennung Schadstoffe freisetzen. Doch wie es jetzt scheint, ist es möglicherweise nicht immer notwendig, sie bei der Energieerzeugung zu verbrennen.

Ein vielversprechender Ansatz, der von der Forschungsphase in die Kommerzialisierungsphase übergeht, ist die Festoxid-Brennstoffzellentechnologie (SOFC). Das Potenzial wird durch eine Partnerschaft zwischen Mohawk Innovative Technology und Velo3D deutlich.

Das US-Energieministerium (DOE) investiert seit Jahren in SOFCs (laut seiner Website seit 1995 750 Millionen US-Dollar) als Teil der laufenden Bemühungen zur Dekarbonisierung der Energieproduktion.

Das DOE beschreibt eine SOFC als ein elektrochemisches Gerät, das Strom direkt aus der Oxidation eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs (normalerweise Erdgas) erzeugt und dabei den eigentlichen Verbrennungsschritt eliminiert. Im Grunde verhält sich eine SOFC wie eine Batterie mit unendlicher Lebensdauer, die ständig aufgeladen wird – ohne das Gas zu verbrennen, das sie wieder auflädt.

Kleines Paket, große Energieausbeute

José Luis Cordova, Ph.D., VP of Engineering bei Mohawk Innovative Technology Inc. (MITI), sagte:

Festoxid-Brennstoffzellen sind sehr attraktiv, weil sie in sehr kleinen Paketen viel Energie produzieren.

Mohawk ist ein 28 Jahre altes Unternehmen mit Sitz in Albany, New York, das an mehreren vom DOE finanzierten Programmen arbeitet und sich auf „CleanTech“ spezialisiert hat – die Konstruktion hocheffizienter, kostengünstiger, umweltfreundlicher und ölfreier Turbomaschinen Zu den Produkten gehören Turbogeneratoren für erneuerbare Energien, ölfreie Turbokompressoren/Gebläse und Elektromotoren.

„SOFCs sind kompakt und können in einer Fabrik gebaut und dann an den jeweiligen Standort transportiert werden, an dem sie zur Unterstützung der dezentralen Energieproduktion benötigt werden“, sagte Jose Luis Cordova.

„Vergleichen Sie das mit dem üblichen zentralisierten Multimegawatt-Kraftwerk, dessen Errichtung Milliarden von Dollar und viele Jahre in Anspruch nimmt. SOFCs sind auch sehr effizient. Im Gegensatz zu einer normalen Batterie verlieren sie mit der Zeit nicht an Leistung, denn solange man die Reagenzien bereitstellt, kann man die elektrochemischen Reaktionen nahezu unbegrenzt fortsetzen.“

Obwohl im Jahr 2019 weltweit mehr als 40.000 Einheiten von 100-Kilowatt-Brennstoffzellen (von denen jede 50 Haushalte mit Strom versorgen kann) ausgeliefert wurden, war die breite Akzeptanz der Technologie begrenzt, da viele der SOFC-Komponenten teuer in der Herstellung sind und diese Komponenten verschleißen Da sie genau den Gasen ausgesetzt sind, die ihren Betrieb so effizient machen, verschwinden sie schnell.

Wir stehen vor Kosten- und Haltbarkeitsproblemen

Um solche Herausforderungen zu meistern, hat Mohawk einige dieser kritischen Teile für eine längere Lebensdauer und höhere Effizienz entwickelt. Ein Beispiel ist das Anoden-Abgas-Recyclinggebläse (AORB) – ein wesentlicher Bestandteil der „Balance-of-Plant“ (der Maschinerie, die den Brennstoffstapel der SOFC unterstützt).

Im Betrieb verbraucht jede Brennstoffzelle nur etwa 70 % des zugeführten Gases. Der Rest der etwa 30 % passiert zusammen mit Wasser (einem Produkt der elektrochemischen Reaktion) direkt das System.

„Sie möchten das übrig gebliebene Gas oder Wasser nicht wegwerfen, sondern an den Anfang des Prozesses zurückschicken“, sagte Jose Luis Cordova. „Und hier kommt die AORB ins Spiel; Es handelt sich im Wesentlichen um einen Niederdruckkompressor oder -ventilator, der die Abgase recycelt und an die Vorderseite der Brennstoffzelle zurückführt.“

„Die Konstrukteure von SOFC-Anlagen gingen davon aus, dass es sich bei diesem Gebläse um eine Einheit von der Stange handeln würde“, sagte Jose Luis Cordova (in einer typischen 250-kW-SOFC-Anlage würden zwei davon zum Einsatz kommen).

„Aber aufgrund der Prozessgase im System neigen herkömmliche Gebläse dazu, zu korrodieren und sich zu verschlechtern; Der Wasserstoff in der Mischung greift die Legierungen an, aus denen die Gebläse bestehen, und beschädigt außerdem die Magnete und elektrischen Komponenten der Motoren, die die Gebläse antreiben. Die meisten Gebläse enthalten auch Schmierstoffe wie Öl, die sich ebenfalls zersetzen.“

„Am Ende haben Sie also sehr unzuverlässige Gebläse, die einen erheblichen Teil der Gesamtkosten der Anlage ausmachen, und Ihre SOFC-Anlage muss alle zwei- bis viertausend Stunden überholt werden.“

Diese Statistik bleibt weit hinter dem Ziel des DOE zurück, eine Betriebslebensdauer von 40.000 Stunden für eine typische SOFC zu erreichen und die Installationskosten von durchschnittlich 12.000 $/kWe (Kilowatt elektrischer Energie) auf 900 $/kWe zu senken.

„Wir erkannten, dass Mohawks proprietäre, ölfreie, nachgiebige Folienlagertechnologie (CFB), spezielle Beschichtungen und jahrzehntelange Erfahrung im Turbomaschinenbau gut zu dieser Herausforderung passen“, sagte Jose Luis Cordova.

AM bietet Antworten

Die Finanzierung durch das DOE ermöglichte es Mohawk, AORB-Prototypen in einem von FuelCell Energy betriebenen Demonstrator-SOFC-Kraftwerk zu entwerfen und zu testen. In strengen Tests unter realistischen Betriebsbedingungen wurden Haltbarkeit und Leistung gemessen.

Die neuesten Versionen zeigten keine nennenswerten Verschlechterungen bei Teilen oder Leistung und die vollständige Beseitigung jeglicher Leistungs- oder Zuverlässigkeitsprobleme.

Dennoch blieben die Kosten eines AORB unerschwinglich hoch – zum großen Teil aufgrund seines Hochgeschwindigkeits-Zentrifugallaufrads, das kontinuierlich unter extremer mechanischer und thermischer Belastung arbeitet.

Für eine möglichst lange Lebensdauer muss dieses Teil aus teuren, hochfesten, korrosionsbeständigen Superlegierungsmaterialien auf Nickelbasis wie Inconel 718 oder Haynes 282 hergestellt werden, die schwer zu bearbeiten oder zu gießen sind. Um eine optimale aerodynamische Effizienz in einem Laufrad zu erreichen, sind komplexe dreidimensionale Geometrien erforderlich, deren Herstellung eine Herausforderung darstellt.

Darüber hinaus werden Laufräder aufgrund der noch jungen Natur des aktuellen SOFC-Marktes in relativ kleinen Chargen hergestellt und es ist schwierig, Skaleneffekte zu erzielen.

Wie Sie sich vorstellen können, lieferte die additive Fertigung eine überzeugende Lösung zur Senkung der Produktionskosten. Während sich das ursprüngliche Projekt mit FuelCell Energy weiterentwickelte, erhielt Mohawk auch Anrufe von Forschungs- und Entwicklungsgruppen, die Hilfe bei der Entwicklung ihrer eigenen Brennstoffzellenkomponenten suchten.

„Da sich viele dieser Hersteller und Integratoren noch im Forschungsstadium befanden, hatte jeder eine andere Betriebsbedingung im Auge“, sagte Jose Luis Cordova. „Die Herstellung einer Handvoll individueller Laufräder oder Spiralen mit herkömmlicher Fertigung wäre extrem kostspielig gewesen. Hier haben wir begonnen, uns mit AM zu befassen. Wir haben unsere eigenen Nachforschungen zu AM-Systemherstellern angestellt und uns mit dem LPBF-Anbieter Velo3D in Verbindung gesetzt.“

Zusammenarbeit an Fähigkeiten

„Mit seinem Ziel, die Kosten zu senken und die Leistung von SOFCs zu verbessern, ist das DOE begeistert von innovativen Herstellungsmethoden wie AM“, sagte Jose Luis Cordova.

„Ihre Finanzierung (durch das Small Business Industrial Research Project) unterstützt unsere aktuelle Partnerschaft mit Velo3D sowie unsere vorherige mit FuelCell Energy. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass diese Arbeit dazu beiträgt, die 3D-Drucktechnologie im Allgemeinen voranzutreiben, da wir immer mehr über ihre Fähigkeiten und ihr Potenzial erfahren.“

Matt Karesh, Mohawk-Projektleiter von Velo3D, sagte:

Die Hand in Hand mit Unternehmen wie Mohawk, die bereit sind, mit uns zusammenzuarbeiten und uns Feedback zu geben, treibt den Fortschritt unserer internen Prozessparameter und -fähigkeiten voran und hilft uns bei der Verbesserung unserer Druckmethoden.

Die Kosteneffizienz von AM

„Unsere traditionellen, subtraktiv gefertigten Laufräder kosteten 15.000 bis 19.000 US-Dollar pro Stück“, sagte Jose Luis Cordova. „Als wir sie in 3D druckten, in kleinen Mengen von etwa acht Einheiten statt einer nach der anderen, sanken die Kosten auf 500 bis 600 US-Dollar – eine sehr erhebliche Kostensenkung.“

„LPBF senkt nicht nur die Herstellungskosten, sondern ist auch die einzige Technologie, die uns die Designflexibilität bieten kann, nach der wir gesucht haben. AM ist gleichgültig gegenüber der Anzahl der Laufradschaufeln, ihren Winkeln oder Abständen – sie alle haben einen direkten Einfluss auf die aerodynamische Effizienz.“

„Wir verfügen jetzt über die geometrische Präzision, die wir benötigen, um sowohl leistungsstärkere rotierende Turbomaschinenkonstruktionen zu realisieren als auch die damit verbundenen Herstellungskosten zu senken“, sagte Jose Luis Cordova.

Auswahl der perfekten Legierung

Für den 3D-Druck von Laufrädern auf einem Velo3D Sapphire-System (bei Duncan Machine, einem Vertragshersteller im globalen Netzwerk von Velo3D) fiel die Wahl auf Inconel 718 – eine der Nickelbasislegierungen mit einer starken Temperaturtoleranz, die den Belastungen standhalten kann Rotation am besten.

Hannah Lea, ein Maschinenbauingenieur bei Mohawk, sagte:

Inconel war für uns sehr attraktiv, weil es chemisch inert genug ist und seine mechanischen Eigenschaften bei ziemlich hohen Temperaturen beibehält, die die von Aluminium oder Titan definitiv übertreffen.

Obwohl Velo3D bereits Inconel 718 für seine Maschinen zertifiziert hatte, führte Mohawk zusätzliche Materialstudien durch, um das Wissen über die 3D-gedruckte Version der Superlegierung zu erweitern.

„Unsere Tests haben gezeigt, dass das 3D-gedruckte LPBF-Inconel 718 mechanische Eigenschaften wie Streckgrenze und Kriechtoleranz aufweist, die höher sind als die von Gussmaterial“, sagte Hannah Lea. „Für hochbelastete Radialgebläse- und Kompressoranwendungen im Betriebstemperaturbereich war dies mehr als ausreichend.“

Iteration leicht gemacht

Während ihre Laufradarbeit voranschritt, arbeiteten die Ingenieure von Mohawk mit Velo3D-Experten an Designiterationen, Modifikationen und Druckstrategien zusammen.

„Es war wirklich interessant, weil wir keine großen Designänderungen am ursprünglichen Laufrad vornehmen mussten, mit dem wir arbeiteten – mit dem Sapphire-System von Velo3D konnten wir einfach drucken, was wir wollten“, sagte Jose Luis Cordova. „Wir haben einige Prozessanpassungen und Optimierungen im Hinblick auf Überlegungen zur Stützstruktur und Modifikationen der Oberflächenbeschaffenheit vorgenommen.“

Mit dem Fortschreiten des Laufradprojekts sorgte AM für viel schnellere Durchlaufzeiten, als dies durch Gießen oder Fräsen möglich gewesen wäre, da Teile schnell gedruckt, bewertet, iteriert und erneut gedruckt werden konnten. In nachfolgenden 3D-Druckläufen könnten mehrere Beispiele alter und neuer Laufraddesigns gleichzeitig auf derselben Bauplatte hergestellt werden, um die Ergebnisse zu vergleichen.

Aufgrund der relativ geringen Größe der Laufräder (60 mm Durchmesser) musste das Team eine „Opferabdeckung“ entwickeln – eine vorübergehende gedruckte Hülle, die die Schaufeln während der Herstellung festhielt.

Opferhüllen und glattere Oberflächen

Matt Karesh, Velo3D's sagte:

Das wirklich Interessante an diesem Ansatz ist, dass ummantelte Laufräder für die meisten aktuellen additiven Technologien aufgrund der vielen traditionellen Stützstrukturen, die sie erfordern, im Grunde unantastbar sind.

„Wir haben einen nicht unterstützungsfreien, sondern einen reduzierten Support-Ansatz gewählt. Mohawk sagte: „Letztendlich brauchen wir die Abdeckung nicht, aber die Abdeckung macht unseren Teil besser, also bringen wir dieses Ding an, das normalerweise extrem schwer zu drucken ist – und schneiden es danach einfach ab.“

„Mit der Technologie von Velo3d waren sie in der Lage, diese Einwegabdeckung auf ihr Laufrad zu bauen, die gewünschte Schaufelblatt- und Strömungswegform zu erhalten, und dann war es ein sehr einfacher Bearbeitungsvorgang, die Abdeckung zu entfernen.“

Mohawk-Ingenieur, Rochelle Wooding, Oberflächenveredelung war ein weiterer Schwerpunkt:

Die Oberfläche war in unseren ersten Iterationen etwas rau.

„Das Interessante an der Opferabdeckung war, dass sie uns einen Strömungsweg durch die Schaufeln bot, den wir nutzen konnten, um die Rauheit durch Extrusionshonen zu korrigieren; Es bedurfte einiger weiterer Iterationen, um zu bestimmen, wie viel Material den Klingen hinzugefügt werden musste, um die erforderliche Klingenstärke zu erreichen, die wir wollten. Das von uns erreichte Endoberflächenfinish ist mit dem eines Gussteils vergleichbar und passt aerodynamisch zu unseren Zwecken.“

Zukünftige Tests, Ausblick auf die Zukunft

Die nächsten Schritte bestehen darin, die AORBs mit den neuen Laufrädern nachzurüsten und sie unter Feldbedingungen zu testen. „Wir gehen davon aus, dass die erfolgreiche Durchführung dieser beiden Aufgaben vollständig zeigen wird, dass 3D-gedruckte Inconel-Teile, die mit der LPBF-Technologie hergestellt werden, eine praktikable und zuverlässige Alternative für die Herstellung von Turbomaschinenkomponenten sind“, sagte Jose Luis Cordova. Bei anderen Gebläseteilen wie Gehäusen und Spiralen wird bereits daran gearbeitet, AM einzusetzen.

„Durch diese vom DOE finanzierten Projekte konnten wir eine Bibliothek gemeinsamer Teile entwickeln. Basierend auf der ursprünglichen Idee verfügen wir jetzt über mindestens drei völlig unterschiedliche Plattformen, die unterschiedliche Leistungsfähigkeiten bieten können, um den Fortschritt für die saubere Energie der Zukunft zu unterstützen“, schloss Jose Luis Cordova.

Der 3D-Druck von Brennstoffzellenteilen senkt die Kosten (enorm), 21. Oktober 2022