La impresión 3D de piezas de pilas de combustible reduce los costes (enormemente)

La impresión 3D de piezas de pilas de combustible reduce los costes (enormemente).

Mohawk Innovative Technology recurre a Velo3D para reducir el precio de los sopladores de reciclaje de gases de ánodo en un 60 %.

Los hidrocarburos son bien conocidos por liberar contaminantes cuando se queman. Sin embargo, como parece ahora, puede que no siempre sea necesario quemarlos a la hora de generar energía.

Un enfoque prometedor, que emerge desde la etapa de investigación hasta la etapa de comercialización, es la tecnología de pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). El potencial queda claro a través de una asociación entre Mohawk Innovative Technology y Velo3D.

El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) ha invertido en SOFC durante años (750 millones de dólares desde 1995, según su sitio web) como parte del esfuerzo continuo para descarbonizar la producción de energía.

El DOE describe una SOFC como un dispositivo electroquímico que produce electricidad directamente a partir de la oxidación de un combustible de hidrocarburo (generalmente gas natural), al tiempo que elimina el paso de combustión real. Básicamente, una SOFC actúa como una batería de vida infinita que se recarga constantemente, sin quemar el gas que la recarga.

Paquete pequeño, gran producción de energía

Jose Luis Cordova, Ph.D., vicepresidente de ingeniería de Mohawk Innovative Technology Inc. (MITI), dijo:

Las pilas de combustible de óxido sólido son muy atractivas porque producen mucha energía en paquetes muy pequeños.

Mohawk es una empresa de 28 años con sede en Albany, Nueva York, que trabaja en varios programas financiados por el DOE y se especializa en 'tecnología limpia': el diseño de turbomaquinaria sin aceite, de alta eficiencia, rentable y de bajo impacto ambiental. productos que incluyen turbogeneradores de energía renovable, turbocompresores/sopladores sin aceite y motores eléctricos.

"Las SOFC son compactas y pueden construirse en una fábrica y luego transportarse al sitio específico donde se necesitan para respaldar la producción de energía distribuida", dijo José Luis Córdova.

“Compárese eso con la habitual central eléctrica centralizada de varios megavatios, cuya instalación requiere miles de millones de dólares y muchos años. Las SOFC también son muy eficientes. A diferencia de una batería normal, no pierden energía con el tiempo porque mientras se suministren los reactivos, las reacciones electroquímicas pueden continuar de forma prácticamente indefinida”.

Aunque en 2019 se enviaron a todo el mundo más de 40.000 unidades de pilas de combustible de 100 kilovatios (cada una de ellas capaz de alimentar 50 hogares), la adopción generalizada de la tecnología ha sido limitada debido a que muchos de los componentes SOFC son costosos de fabricar y estos componentes se desgastan. rápidamente gracias a la exposición a los mismos gases que hacen que su funcionamiento sea tan eficiente.

Enfrentando problemas de costo y durabilidad

Para ayudar a superar estos desafíos, Mohawk ha diseñado algunas de esas piezas críticas para una vida más larga y una mayor eficiencia. Un ejemplo es el soplador de reciclaje de gases de escape de ánodo (AORB), un componente esencial del "equilibrio de la planta" (la maquinaria que sostiene la pila de combustible de la SOFC).

Durante el funcionamiento, cada pila de combustible sólo utiliza alrededor del 70% del gas que alimenta. El resto de aproximadamente el 30% pasa a través del sistema junto con el agua (un producto de la reacción electroquímica).

“No se quiere tirar el gas o el agua sobrantes, sino enviarlos de regreso al inicio del proceso”, dijo José Luis Córdova. “Y ahí es donde entra en juego el AORB; Es esencialmente un compresor o ventilador de baja presión que recicla el escape y lo devuelve al frente de la celda de combustible”.

“Los diseñadores de plantas de equilibrio de SOFC estaban pensando que este soplador sería una unidad lista para usar”, dijo José Luis Córdova (una planta SOFC típica de 250 kW emplearía dos de ellos]).

“Pero debido a los gases de proceso en el sistema, los sopladores tradicionales tienden a corroerse y degradarse; El hidrógeno de la mezcla ataca las aleaciones de las que están hechos los sopladores y también daña los imanes y los componentes eléctricos de los motores que alimentan los sopladores. La mayoría de los sopladores también contienen lubricantes, como aceite, que también se degradan”.

"Así que terminas con sopladores de muy baja confiabilidad (que representan una parte importante del costo del resto de la planta) y tu planta SOFC necesita una revisión cada dos a cuatro mil horas".

Esta estadística está muy por debajo del objetivo del DOE de una vida útil operativa de 40.000 horas para una SOFC típica y una reducción del costo de instalación de un promedio de $12.000/kWe (kilovatio de energía eléctrica) a $900/kWe.

"Así que nos dimos cuenta de que la tecnología patentada de rodamientos de láminas (CFB, por sus siglas en inglés) libre de aceite y compatible con Mohawk, sus recubrimientos especializados y décadas de experiencia en turbomaquinaria eran una buena opción para este desafío", dijo José Luis Córdova.

AM ofrece respuestas

La financiación del DOE proporcionó los medios para que Mohawk diseñara y probara prototipos de AORB en una planta de energía SOFC demostradora administrada por FuelCell Energy. Se realizaron pruebas rigurosas en condiciones operativas realistas para medir la durabilidad y el rendimiento.

Las últimas versiones no demostraron ninguna degradación significativa en las piezas o la producción y la eliminación completa de cualquier problema de rendimiento o confiabilidad.

Sin embargo, el costo de un AORB siguió siendo prohibitivamente alto, en gran parte debido a su impulsor centrífugo de alta velocidad, que opera continuamente bajo estrés mecánico y térmico extremo.

Para prolongar su vida útil, esta pieza debe fabricarse con materiales de superaleación costosos, de alta resistencia, a base de níquel y resistentes a la corrosión, como Inconel 718 o Haynes 282, que son difíciles de mecanizar o fundir. Lograr una eficiencia aerodinámica óptima en un impulsor requiere geometrías tridimensionales complejas que son un desafío de fabricar.

Además de esto, debido a la naturaleza incipiente del mercado actual de SOFC, los impulsores se producen en lotes relativamente pequeños y es difícil lograr economías de escala.

Como se puede imaginar, la fabricación aditiva proporcionó una respuesta convincente para reducir los costos de producción. Mientras evolucionaba el proyecto original con FuelCell Energy, Mohawk también recibía llamadas de grupos de I+D que buscaban ayuda con sus propios diseños de componentes de pilas de combustible.

“Debido a que muchos de estos fabricantes e integradores todavía estaban en la etapa de investigación, cada uno tenía en mente una condición operativa diferente”, dijo José Luis Córdova. “Usar la fabricación tradicional para fabricar solo un puñado de ruedas impulsoras personalizadas o volutas que querían habría sido extremadamente costoso. Ahí es donde empezamos a mirar AM; Hicimos nuestra propia investigación sobre los fabricantes de sistemas AM y nos conectamos con el proveedor de LPBF Velo3D”.

Colaborando en capacidades

"Con su objetivo de reducir costes y mejorar el rendimiento de las SOFC, el DOE está entusiasmado con los métodos de fabricación innovadores como la fabricación aditiva", afirmó José Luis Córdova.

“Su financiación (a través del Proyecto de Investigación Industrial para Pequeñas Empresas) respalda nuestra asociación actual con Velo3D, así como nuestra anterior con FuelCell Energy. Un beneficio adicional es que este trabajo está ayudando a avanzar en la tecnología de impresión 3D en general a medida que aprendemos más y más sobre sus capacidades y potencial”.

Matt Karesh, líder del proyecto Mohawk de Velo3D, dijo:

Trabajar mano a mano con empresas como Mohawk, que están dispuestas a colaborar con nosotros y brindarnos comentarios, impulsa el progreso en nuestros parámetros y capacidades de procesos internos y nos ayuda a orientarnos sobre cómo mejorar nuestras metodologías de impresión.

La rentabilidad de la AM

“Nuestras ruedas impulsoras tradicionales, fabricadas sustractivamente, costaban entre 15.000 y 19.000 dólares por pieza”, dijo José Luis Córdova. "Cuando los imprimimos en 3D, en pequeños lotes de alrededor de ocho unidades en lugar de una a la vez, esto se redujo a entre 500 y 600 dólares, una reducción de costos muy significativa".

“Además de reducir los costos de fabricación, LPBF es la única tecnología que podría brindarnos la flexibilidad de diseño que buscábamos. A AM le es indiferente el número de palas del impulsor, sus ángulos o su espaciado, todo lo cual tiene un impacto directo en la eficiencia aerodinámica”.

"Ahora tenemos la precisión geométrica necesaria para lograr diseños de turbomáquinas giratorias de mayor rendimiento y reducir los costos de fabricación asociados", dijo José Luis Córdova.

Eligiendo la aleación perfecta

Para los impulsores de impresión 3D en un sistema Velo3D Sapphire (en Duncan Machine, un fabricante contratado en la red global de Velo3D), se optó por utilizar Inconel 718, una de las aleaciones a base de níquel con una fuerte tolerancia a la temperatura que puede soportar la tensión de mejor rotación.

hanna lea, ingeniero mecánico de Mohawk, dijo:

Inconel nos resultó muy atractivo porque es químicamente inerte y conserva sus propiedades mecánicas a temperaturas bastante altas que definitivamente superan al aluminio o al titanio.

Aunque Velo3D ya había certificado Inconel 718 para sus máquinas, Mohawk realizó estudios de materiales adicionales para ampliar el conocimiento sobre la versión impresa en 3D de la superaleación.

"Nuestras pruebas demostraron que el Inconel 718 impreso en 3D con LPBF tenía propiedades mecánicas, como el límite elástico y la tolerancia a la fluencia, que eran más altas que las del material fundido", dijo Hannah Lea. "Esto fue más que adecuado para aplicaciones de compresores y sopladores centrífugos de alto estrés dentro del rango de temperatura operativa".

Iteración simplificada

A medida que avanzaba el trabajo del impulsor, los ingenieros de Mohawk colaboraron con los expertos de Velo3D en iteraciones de diseño, modificaciones y estrategias de impresión.

"Fue realmente interesante porque no tuvimos que realizar ningún cambio importante en el diseño del impulsor original con el que estábamos trabajando; con el sistema Sapphire de Velo3D podíamos imprimir lo que queríamos", dijo José Luis Córdova. "Hicimos algunos ajustes de proceso y modificaciones en términos de consideraciones de estructura de soporte y modificaciones de acabado de superficie".

A medida que avanzaba el proyecto del impulsor, la fabricación aditiva proporcionó tiempos de respuesta mucho más rápidos de lo que habrían permitido la fundición o el fresado, ya que las piezas se podían imprimir, evaluar, iterar y volver a imprimir rápidamente. En tiradas de impresión 3D posteriores, se podrían realizar simultáneamente múltiples ejemplos de diseños de impulsores nuevos y antiguos en la misma placa de construcción para comparar los resultados.

El tamaño relativamente pequeño de los impulsores (60 mm de diámetro) requirió que el equipo desarrollara una "cubierta de sacrificio", un recinto impreso temporal que mantenía las palas en posición vertical durante la fabricación.

Sudarios de sacrificio y superficies más lisas

Matt Karesh, Velo3D dijo:

Lo realmente interesante de este enfoque es que los impulsores cubiertos son, para la mayoría de las tecnologías aditivas actuales, básicamente intocables debido a todas las estructuras de soporte tradicionales que requieren.

“Utilizamos un enfoque de soporte reducido, no sin soporte. Mohawk decía: 'al final no necesitamos la cubierta, pero la cubierta mejora nuestra parte, así que adjuntaremos esto que normalmente es extremadamente difícil de imprimir, y simplemente lo cortaremos después'”.

"Usando la tecnología de Velo3d, pudieron construir esa cubierta desechable en su impulsor, obtener las formas aerodinámicas y de trayectoria de flujo que querían, y luego fue una operación de mecanizado muy simple retirar la cubierta".

ingeniero mohawk, Rochelle Wooding, el acabado superficial fue otro foco de atención:

La superficie era un poco rugosa en nuestras primeras iteraciones.

“Lo interesante de la cubierta de sacrificio fue que nos proporcionó una ruta de flujo a través de las palas que podíamos utilizar para corregir la rugosidad mediante el bruñido por extrusión; Fueron necesarias algunas iteraciones adicionales para determinar cuánto material agregar a las hojas para lograr el espesor de hoja requerido que queríamos. El acabado superficial final que logramos es comparable al de una pieza fundida y se adapta aerodinámicamente a nuestros propósitos”.

Pruebas futuras, perspectivas de futuro

Los próximos pasos son adaptar los AORB con los nuevos impulsores y probarlos en condiciones de campo. "Esperamos que la ejecución exitosa de estas dos tareas demuestre plenamente que las piezas Inconel impresas en 3D entregadas con tecnología LPBF son una alternativa viable y confiable para fabricar componentes de turbomaquinaria", dijo José Luis Córdova. Ya se está trabajando utilizando AM para otras piezas del soplador, como carcasas y volutas.

“A través de estos proyectos financiados por el DOE, hemos podido desarrollar una biblioteca de piezas comunes. Basándonos en la idea original, ahora tenemos al menos tres plataformas completamente diferentes que pueden servir a diferentes capacidades energéticas para apoyar el progreso hacia la energía limpia del futuro”, concluyó José Luis Córdova.

La impresión 3D de piezas de pilas de combustible reduce los costes (enormemente), 21 de octubre de 2022