ORNL : la stampa 3D e la produzione di energia geotermica

ORNL analizza l’uso della stampa 3D per la produzione di energia geotermica
 
Mentre la società industriale globale lotta per la transizione dai combustibili fossili ad altre forme di energia, una fonte di energia spesso trascurata proviene dall’interno della Terra stessa. La forma più diffusa di centrali geotermiche si trova dove la roccia fusa si trova vicino alla crosta del pianeta e produce acqua calda, anche se l’accesso a questa energia può essere ottenuto anche scavando profonde fessure. L’acqua calda o il vapore provenienti da questi luoghi vengono quindi utilizzati per far girare una turbina per generare elettricità.

Ora, l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti ha utilizzato la stampa 3D per produrre strumenti specializzati per lo sviluppo dell’energia geotermica. L’uso della produzione additiva (AM) ha reso gli strumenti più economici ed efficienti, traducendo tali benefici nella produzione di energia geotermica.

Per accedere all’energia geotermica, sono necessari strumenti specializzati per perforare la superficie della terra. I ricercatori dell’ORNL hanno notato che ” tutte le tecnologie geotermiche, come gli strumenti di trivellazione e le attrezzature di perforazione, hanno considerazioni insolite su materiali, design e produzione dettate dal duro ambiente geotermico e dalle proporzioni estreme richieste per l’implementazione in un pozzo trivellato”.

Anche questi articoli sono realizzati in quantità molto basse, data la natura di nicchia del settore geotermico. Il team dell’ORNL ha spiegato: “Mentre decine di migliaia di pozzi di petrolio e gas vengono perforati e completati negli Stati Uniti ogni anno, in genere ci sono solo decine di pozzi geotermici che vengono perforati e completati. Se uno strumento tipicamente utilizzato nelle applicazioni petrolifere e del gas non può essere utilizzato direttamente per il geotermico, il costo associato alla realizzazione dello strumento adatto per il geotermico è spesso proibitivo”.

Poiché questi strumenti complessi sono realizzati in basse quantità a costi elevati, potrebbero essere i primi candidati per la produzione con la stampa 3D. Per determinare se uno strumento specifico potrebbe essere più costoso da realizzare con tecnologie convenzionali o additive, ORNL ha sviluppato un calcolatore tecno-economico (TEA). Questo è stato poi applicato a una varietà di processi di produzione per un set di strumenti geotermico rappresentativo composto da 17 parti diverse.

Il team ORNL ha stabilito che tutte le parti potevano essere realizzate combinando AM e processi di produzione convenzionali, ma poche in cui solo AM sarebbe stato vantaggioso. Tuttavia, hanno anche notato che, poiché queste parti sono state progettate per le tecnologie di produzione tradizionali, sarebbero state naturalmente considerate più adatte ai processi convenzionali. Pertanto, hanno concluso che il design per AM dovrebbe essere utilizzato per sfruttare meglio i vantaggi della stampa 3D. Inoltre, a causa del portafoglio molto più piccolo di polveri metalliche disponibile per AM, se si stampassero in 3D questi articoli, sarebbe necessario effettuare sostituzioni di materiale.Degno di nota è stato anche il fatto che, se si dovesse realizzare solo una parte per un determinato lavoro geotermico, la deposizione diretta di energia (DED) AM sarebbe meno costosa della produzione convenzionale per nove su 17 componenti. Questo rappresenta un valido caso per l’utilizzo della stampa 3D per produrre parti di ricambio.

Per la produzione di un numero maggiore di parti contemporaneamente, la fusione a letto di polvere laser (PBF) è stata considerata meno costosa per 13 casi su 17. I tempi di produzione potrebbero essere ulteriormente ridotti se più di un componente fosse prodotto in una singola build con PBF.

Inoltre, lo studio ha esaminato solo i modi in cui AM potrebbe ottimizzare brevemente gli strumenti di perforazione, esaminando un singolo rotore per un motore a palette in uno strumento di perforazione. La parte è stata riprogettata utilizzando l’ottimizzazione della topologia per aumentare la velocità di rotazione del 27% e la velocità massima del gruppo motore del 5%.

Queste informazioni sono state determinate in base ai risultati del calcolatore TEA, ma non alla produzione fisica delle parti. Potrebbe, quindi, informare ulteriori studi in cui le parti sono effettivamente realizzate. Ciò che lo studio non ha discusso è il fatto che, sebbene l’energia geotermica sia considerata rinnovabile, può ancora potenzialmente avere effetti ambientali negativi .

Ad esempio, i sistemi ad anello aperto possono provocare l’emissione di idrogeno solforato, più comunemente, così come anidride carbonica, ammoniaca, metano e boro. L’acido solfidrico può provocare la produzione di anidride solforosa, che può causare piogge acide, ma le emissioni di SO2 degli impianti geotermici sono ancora 30 volte inferiori per megawattora rispetto a quelle degli impianti a carbone. Il 10% delle emissioni per i sistemi a ciclo aperto è costituito da anidride carbonica, con un’ulteriore quantità minore del più potente metano che viene rilasciato, contribuendo così al riscaldamento globale.

Il mercurio può anche essere prodotto da impianti geotermici e i sottoprodotti tossici devono essere smaltiti in siti di rifiuti pericolosi. Naturalmente, come la maggior parte degli impianti energetici, è necessario proteggere l’ecologia dell’area circostante durante lo sviluppo del territorio. Gli impianti geotermici possono anche aumentare il rischio di terremoti nella zona. Per i sistemi geotermici potenziati, in cui sono richiesti pozzi più profondi, questo rischio è aumentato, simile ai rischi riscontrati nel fracking.

In totale, i sistemi geotermici potenziati producono emissioni per il riscaldamento globale del ciclo di vita di circa 0,2 libbre di anidride carbonica equivalente per chilowattora. Ciò è paragonabile al gas naturale, che produce tra 0,6 e 2 libbre, e al carbone, che produce tra 1,4 e 3,6.

Esistono forme più sostenibili di energia geotermica localizzata che i consumatori ordinari potrebbero iniziare a considerare. Questa è la sostituzione del riscaldamento e del raffrescamento della tua casa con una serie di tubi sotterranei. In inverno, l’acqua che è stata riscaldata al di sotto della superficie terrestre viene trasferita nella tua casa, mentre, in estate, il calore della tua casa viene riportato nel terreno. Questa piccola ma fiorente tecnologia sta diventando sempre più disponibile attraverso aziende come Dandelion , che serve l’area di New York. Non è stato ancora esplorato se la stampa 3D possa o meno aiutare nella creazione di opzioni di energia geotermica locale.

 
Quello che sicuramente verrà esplorato ulteriormente è come l’AM può essere utilizzato per produrre strumenti per progetti geotermici su larga scala. Questo è solo l’inizio della ricerca di ORNL sull’uso della stampa 3D per gli strumenti geotermici.

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