3D打印已經(jīng)在氫經(jīng)濟(jì)中找到了多種應(yīng)用，這些應(yīng)用涵蓋了從氫的生產(chǎn)、儲存到應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)。氫氣渦輪機(jī)和壓縮機(jī)部件設(shè)備方面，增材制造技術(shù)可以制造用于氫氣渦輪機(jī)和壓縮機(jī)的高性能部件，這些部件可以在高壓和高溫環(huán)境下運(yùn)行。當(dāng)前，增材制造被用于開發(fā)更精細(xì)的氫燃料噴射系統(tǒng)，以提高燃燒效率和減少排放。增材制造可以快速制造定制的接頭和適配器，以連接不同的氫氣系統(tǒng)組件，提高系統(tǒng)的兼容性和靈活性。

▲ 3D打印用于優(yōu)化氫能設(shè)備關(guān)鍵零件-IGNITER項目
© RWTH DAP亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材制造生產(chǎn)研究所

“增材制造技術(shù)為氫經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)提供了多種解決方案，包括：

資源高效型組件：生產(chǎn)輕量化和優(yōu)化設(shè)計的組件，以減少材料使用和提高能源效率。

需求驅(qū)動型材料：根據(jù)特定應(yīng)用的需求定制材料特性，以提高性能和耐用性。

環(huán)保型組件表面：通過涂層和其他表面處理技術(shù)，提高組件的環(huán)保性能，如減少氫滲透和提高耐腐蝕性。”

脫碳和可持續(xù)能源是社會和政治討論的核心話題，我們需要清潔的替代品來替代推動氣候變化和污染環(huán)境的化石燃料，氫氣是一種可能的替代品。

然而，氫氣對企業(yè)和能源行業(yè)提出了挑戰(zhàn)：現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施需要從化石原料和能源來源轉(zhuǎn)換而來，這需要大量投資。此外，氫氣生產(chǎn)（尤其是綠色氫氣）的效率和成本效益目前有限。氫氣還具有不同的燃燒和腐蝕特性。這改變了燃燒和運(yùn)輸部件所用材料的要求，需要新材料和改進(jìn)的設(shè)計。

氫經(jīng)濟(jì)的增材制造是實現(xiàn)可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型和減少溫室氣體排放的關(guān)鍵技術(shù)之一。亞琛工業(yè)大學(xué)的幾個個項目，IGNITER，H2MAT3D，HyInnoBurn，正在通過增材制造技術(shù)推動氫基燃燒系統(tǒng)的發(fā)展，以期實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的能源使用。

 IGNITER項目

該項目的目標(biāo)是開發(fā)和應(yīng)用基于模擬的燃料靈活燃燒器設(shè)計流程，以使用氫基燃料。增材制造技術(shù)在此過程中扮演著重要角色，因為它允許設(shè)計和制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可能通過傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)。通過模擬和增材制造的結(jié)合，研究人員可以優(yōu)化燃燒器設(shè)計，以滿足嚴(yán)格的排放和性能標(biāo)準(zhǔn)。這包括：
燃料靈活性：設(shè)計能夠適應(yīng)不同燃料類型的燃燒器，包括天然氣和氫氣。

排放控制：優(yōu)化燃燒過程以減少有害排放，如氮氧化物(NOx)。

性能優(yōu)化：確保燃燒器在各種操作條件下都能保持高效和穩(wěn)定。

 H2MAT3D項目

H2MAT3D -（氫基燃燒系統(tǒng)、高溫材料和激光增材制造之間的相互作用分析）

亞琛工業(yè)大學(xué)與卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) 技術(shù)熱力學(xué)研究所和柏林工業(yè)大學(xué) MfAM 合作，研究氫燃燒系統(tǒng)與增材制造生產(chǎn)的材料之間的復(fù)雜相互作用。研究重點是識別能夠提高氫燃燒效率和穩(wěn)定性的高溫材料，同時突破 3D 打印技術(shù)的界限。

這些項目對于推進(jìn)對氫基燃燒系統(tǒng)和增材制造的理解至關(guān)重要，為未來無碳能源技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路。

H2MAT3D項目專注于分析氫基燃燒系統(tǒng)、高溫材料和激光增材制造之間的相互作用。研究的重點是識別和開發(fā)能夠提高氫燃燒效率和穩(wěn)定性的高溫材料。這涉及到：

材料選擇：開發(fā)適用于氫環(huán)境的高性能、耐用和高效材料。

多材料增材制造：通過逐層優(yōu)化材料組合，實現(xiàn)定制材料特性，結(jié)合耐磨、耐腐蝕和功能性。

表面功能化：使用超高速涂層技術(shù)，為管道等提供適應(yīng)環(huán)境的內(nèi)部和外部表面，以實現(xiàn)最佳的防腐保護(hù)并減少氫滲透。

▲ 理解增材制造工藝材料的相關(guān)性
© RWTH DAP亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材制造生產(chǎn)研究所

在 H2MAT3D 中，RWTH DAP亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材制造生產(chǎn)研究所及其研究合作伙伴通過實驗和數(shù)值研究了氫基燃燒系統(tǒng)與增材制造材料之間的相互作用。這將彌合 AM 燃燒器設(shè)計與燃燒過程中的工藝-材料相互作用之間的差距。

為了實現(xiàn)這一點，通過基于熱力學(xué)的合金選擇從鎳基高溫合金中分離出也可通過 AM-增材制造加工的耐高溫材料，特別是激光粉末床熔融 (LPBF)，和超高速激光應(yīng)用 (EHLA) 生產(chǎn)增材制造工藝加工的材料，從而實現(xiàn)高通量合金開發(fā)。這項工作得到了微觀結(jié)構(gòu)模擬的支持，微觀結(jié)構(gòu)模擬將提供影響增材制造過程中高溫強(qiáng)度、降解行為和裂紋形成的信息因素。研究人員在氫氣燃燒實驗中研究了所生產(chǎn)的樣品，并在操作前后對其進(jìn)行了表征，以揭示降解機(jī)制。燃燒實驗工作與燃燒模擬相輔相成，旨在了解材料由于熱導(dǎo)率和表面反應(yīng)對火焰的影響。在 H2MAT3D 中獲得的基本理解將用于協(xié)調(diào) AM 工藝條件和高溫材料，以實現(xiàn)效率更高的燃燒過程。這項研究的結(jié)果可用于增材制造的燃燒系統(tǒng)，其中定制的合金和復(fù)雜的幾何形狀有助于提高效率并減少燃燒過程對環(huán)境的影響。

 HyInnoBurn項目

在ACAM亞琛增材制造中心的RWTH DAP與合作伙伴開發(fā)的HyInnoBurn項目中，HyInnoBurn項目致力于開發(fā)優(yōu)化的工業(yè)燃?xì)馊紵�器，以實現(xiàn)天然氣和氫氣的安全靈活運(yùn)行。由于氫氣火焰的行為不同于天然氣火焰，該項目將開發(fā)優(yōu)化的燃燒器幾何形狀以滿足特定的燃燒器要求，例如低排放或在鋼廠等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中安全運(yùn)行。燃燒器還應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以滿足不同最終用戶的特定要求。AM-增材制造技術(shù)成為關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)，以賦予燃燒器設(shè)計最大可能的自由度以及輕松的可擴(kuò)展性。

▲ HylnnoBurn項目
© ACAM亞琛增材制造中心

HyInnoBurn項目研究成員結(jié)合了發(fā)電廠技術(shù)、蒸汽和燃?xì)廨啓C(jī)研究所的過程分析，專注于開發(fā)通用工業(yè)燃燒器，以便使用由天然氣 (EG) 和氫氣組成的混合燃料靈活運(yùn)行。

© Kueppers Solutions (左) and SMS-group (右)

對當(dāng)前使用的燃燒器配置的初步調(diào)查構(gòu)成了為 H2 燃燒器系統(tǒng)開發(fā)提供合適的數(shù)值和幾何模型的基礎(chǔ)，這些模型代表了不同氣體成分的燃燒和排放物形成的現(xiàn)象學(xué)。通過燃燒器的模擬和實驗分析，實現(xiàn)了燃料氣體中靈活的含量氫優(yōu)化。其中，通過3D打印-增材制造工藝生產(chǎn)燃燒器實現(xiàn)大量優(yōu)化選項至關(guān)重要。

最后，在實際操作條件下的污染物排放、溫度和過程穩(wěn)定性方面展示HyInnoBurn項目的可擴(kuò)展性和工業(yè)適用性。這為開發(fā)新型燃燒器系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用以HyInnoBurn項目的方法和能力應(yīng)用到其他領(lǐng)域（例如固定式燃?xì)廨啓C(jī)和飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器）奠定了基礎(chǔ)。

通過這些項目，亞琛工業(yè)大學(xué)展示了增材制造技術(shù)在推動氫經(jīng)濟(jì)和實現(xiàn)可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型方面的潛力。這些研究不僅有助于開發(fā)更高效的氫基燃燒系統(tǒng)，還為未來無碳能源技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成本的降低，氫氣有望成為未來能源供應(yīng)的重要組成部分。

(責(zé)任編輯：admin)

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