L'impression 3D de pièces de pile à combustible réduit les coûts (énormément)

L'impression 3D de pièces de pile à combustible réduit les coûts (énormément).

Mohawk Innovative Technology se tourne vers Velo3D pour réduire de 60 % le prix des soufflantes de recyclage des gaz d'échappement anodiques.

Les hydrocarbures sont bien connus pour libérer des polluants lorsqu'ils sont brûlés. Cependant, comme il semble maintenant, il n'est pas toujours nécessaire de les brûler lors de la production d'énergie.

La technologie des piles à combustible à oxyde solide (SOFC) est une approche prometteuse, émergeant du stade de la recherche – jusqu'au stade de la commercialisation. Le potentiel est mis en évidence grâce à un partenariat entre Mohawk Innovative Technology et Velo3D.

Le Département américain de l'énergie (DOE) investit dans les SOFC depuis des années (750 millions de dollars depuis 1995, selon leur site Web) dans le cadre de l'effort continu de décarbonation de la production d'énergie.

Le DOE décrit une SOFC comme un dispositif électrochimique qui produit de l'électricité directement à partir de l'oxydation d'un combustible hydrocarboné (généralement du gaz naturel), tout en éliminant l'étape de combustion proprement dite. Fondamentalement, une SOFC agit comme une batterie à durée de vie infinie qui se recharge en permanence - sans brûler le gaz qui la recharge.

Petit paquet, grande production d'énergie

José Luis Cordoue, Ph.D., vice-président de l'ingénierie chez Mohawk Innovative Technology Inc. (MITI), a déclaré :

Les piles à combustible à oxyde solide sont très intéressantes car elles produisent beaucoup d'énergie dans de très petits emballages.

Travaillant sur plusieurs programmes financés par le DOE, Mohawk est une entreprise de 28 ans basée à Albany, New York, spécialisée dans les "CleanTech" - la conception de turbomachines à haut rendement, rentables, à faible impact sur l'environnement et sans huile, y compris les turbogénérateurs à énergie renouvelable, les turbocompresseurs/soufflantes sans huile et les moteurs électriques.

"Les SOFC sont compactes et peuvent être construites dans une usine, puis transportées vers le site spécifique où elles sont nécessaires pour soutenir la production d'énergie distribuée", a déclaré Jose Luis Cordova.

"Comparez cela avec la centrale électrique centralisée de plusieurs mégawatts habituelle qui prend des milliards de dollars et de nombreuses années à mettre en place. Les SOFC sont également très efficaces. Contrairement à une batterie ordinaire, elles ne perdent pas de puissance au fil du temps car tant que vous fournissez les réactifs, vous pouvez continuer les réactions électrochimiques à peu près indéfiniment. "

Bien que plus de 40 000 unités de piles à combustible de 100 kilowatts (chacune pouvant alimenter 50 foyers) aient été expédiées dans le monde en 2019, l'adoption généralisée de la technologie a été limitée en raison du fait que de nombreux composants SOFC sont coûteux à fabriquer et que ces composants s'usent rapidement grâce à l'exposition aux gaz mêmes qui rendent leur fonctionnement si efficace.

Faire face à des problèmes de coût et de durabilité

Pour aider à surmonter ces défis, Mohawk a conçu certaines de ces pièces essentielles pour une durée de vie plus longue et une plus grande efficacité. Un exemple est la soufflante de recyclage des gaz d'échappement anodiques (AORB) – un composant essentiel du « bilan de l'usine » (la machinerie qui prend en charge la pile de combustible de la SOFC).

Pendant le fonctionnement, chaque pile à combustible n'utilise qu'environ 70 % du gaz qui l'alimente. Le reste des 30 % environ passe à travers le système avec l'eau (un produit de la réaction électrochimique).

"Vous ne voulez pas jeter les restes de gaz ou d'eau, vous voulez les renvoyer au début du processus", a déclaré Jose Luis Cordova. "Et c'est là qu'intervient l'AORB ; il s'agit essentiellement d'un compresseur ou d'un ventilateur basse pression qui recycle les gaz d'échappement et les renvoie à l'avant de la pile à combustible."

"Les concepteurs de l'équilibre de la centrale SOFC pensaient que cette soufflante serait une unité prête à l'emploi", a déclaré Jose Luis Cordova (une centrale SOFC typique de 250 kW en emploierait deux]).

« Mais en raison des gaz de procédé dans le système, les soufflantes traditionnelles ont tendance à se corroder et à se dégrader ; l'hydrogène présent dans le mélange attaque les alliages dont sont faites les soufflantes et endommage également les aimants et les composants électriques des moteurs qui alimentent les soufflantes. La plupart des soufflantes contiennent également des lubrifiants, comme l'huile, qui se dégradent également.

"Vous vous retrouvez donc avec des soufflantes très peu fiables - représentant une part importante du coût de l'équilibre de l'usine - et votre usine SOFC a besoin d'une révision toutes les deux à quatre mille heures."

Cette statistique est loin de l'objectif du DOE d'une durée de vie de fonctionnement de 40 000 heures pour une SOFC typique et d'une réduction des coûts d'installation d'une moyenne de 12 000 $/kWe (kilowatt d'énergie électrique) à 900 $/kWe.

"Nous avons donc réalisé que la technologie brevetée, sans huile et conforme des roulements à feuille (CFB) de Mohawk, des revêtements spécialisés et des décennies d'expertise en matière de turbomachines convenaient parfaitement à ce défi", a déclaré Jose Luis Cordova.

AM offre des réponses

Le financement du DOE a permis à Mohawk de concevoir et de tester des prototypes AORB dans une centrale électrique SOFC de démonstration gérée par FuelCell Energy. Des tests rigoureux dans des conditions de fonctionnement réalistes ont mesuré la durabilité et les performances.

Les dernières versions n'ont démontré aucune dégradation significative des pièces ou de la sortie et l'élimination complète de tout problème de performance ou de fiabilité.

Pourtant, le coût d'un AORB est resté prohibitif, en grande partie en raison de sa roue centrifuge à grande vitesse, qui fonctionne en continu sous des contraintes mécaniques et thermiques extrêmes.

Pour une durée de vie maximale, cette pièce doit être fabriquée à partir de matériaux de superalliage coûteux, à haute résistance, à base de nickel et résistants à la corrosion, comme l'Inconel 718 ou le Haynes 282, qui sont difficiles à usiner ou à couler. Atteindre une efficacité aérodynamique optimale dans une roue à aubes nécessite des géométries tridimensionnelles complexes qui sont un défi à fabriquer.

De plus, en raison de la nature naissante du marché actuel des SOFC, les roues sont produites en lots relativement petits et les économies d'échelle sont difficiles à réaliser.

Comme vous pouvez l'imaginer, la fabrication additive a fourni une réponse convaincante pour réduire les coûts de production. Alors que le projet initial avec FuelCell Energy évoluait, Mohawk recevait également des appels de groupes de R&D cherchant de l'aide pour leurs propres conceptions de composants de pile à combustible.

"Parce que bon nombre de ces fabricants et intégrateurs en étaient encore au stade de la recherche, chacun avait en tête une condition de fonctionnement différente", a déclaré Jose Luis Cordova. « L'utilisation de la fabrication traditionnelle, pour fabriquer seulement la poignée de roues ou de volutes personnalisées qu'ils voulaient, aurait été extrêmement coûteuse. C'est donc là que nous avons commencé à nous intéresser à la FA ; nous avons fait nos propres recherches sur les fabricants de systèmes AM et nous nous sommes connectés avec le fournisseur LPBF Velo3D.

Collaboration sur les capacités

"Avec son objectif de réduire les coûts et d'améliorer les performances des SOFC, le DOE est enthousiasmé par les méthodes de fabrication innovantes telles que la FA", a déclaré Jose Luis Cordova.

« Leur financement (via le Small Business Industrial Research Project) soutient notre partenariat actuel avec Velo3D ainsi que notre précédent avec FuelCell Energy. Un avantage supplémentaire est que ce travail contribue à faire progresser la technologie d'impression 3D en général à mesure que nous en apprenons de plus en plus sur ses capacités et son potentiel.

Matt Karesh, chef de projet Mohawk de Velo3D, a déclaré :

Travailler main dans la main avec des entreprises comme Mohawk, qui sont disposées à collaborer avec nous et à nous faire part de leurs commentaires, fait progresser nos paramètres et capacités de processus internes, et nous aide à améliorer nos méthodologies d'impression.

La rentabilité de la FA

"Nos roues à aubes traditionnelles fabriquées de manière soustractive coûtaient jusqu'à 15 000 à 19 000 dollars pièce", a déclaré Jose Luis Cordova. "Lorsque nous les avons imprimés en 3D, en petits lots d'environ huit unités plutôt qu'une à la fois, cela est tombé à 500 $ à 600 $ - une réduction de coût très importante."

"En plus de réduire les coûts de fabrication, LPBF est la seule technologie qui pourrait nous fournir la flexibilité de conception que nous recherchions. La fabrication additive est indifférente au nombre de pales de turbine, à leurs angles ou à leur espacement - qui ont tous un impact direct sur l'efficacité aérodynamique."

"Nous avons maintenant la précision géométrique nécessaire pour réaliser à la fois des conceptions de turbomachines rotatives plus performantes et réduire les coûts de fabrication associés", a déclaré Jose Luis Cordova.

Choisir l'alliage parfait

Pour les roues d'impression 3D sur un système Velo3D Sapphire (chez Duncan Machine, un sous-traitant du réseau mondial de Velo3D), le choix a été fait d'utiliser l'Inconel 718 - l'un des alliages à base de nickel avec une forte tolérance à la température qui peut mieux résister à la contrainte de rotation.

Hannah Léa, ingénieur en mécanique chez Mohawk, a déclaré :

L'inconel nous intéressait beaucoup car il est suffisamment inerte chimiquement et conserve ses propriétés mécaniques à des températures assez élevées qui dépassent définitivement l'aluminium ou le titane.

Bien que Velo3D ait déjà certifié l'Inconel 718 pour ses machines, Mohawk a réalisé des études de matériaux supplémentaires pour enrichir l'ensemble des connaissances sur la version imprimée en 3D du superalliage.

« Nos tests ont démontré que l'Inconel 718 imprimé en 3D LPBF avait des propriétés mécaniques, comme la limite d'élasticité et la tolérance au fluage, qui étaient supérieures à celles du matériau coulé », a déclaré Hannah Lea. "C'était plus que suffisant pour les applications de soufflantes et de compresseurs centrifuges à contraintes élevées dans la plage de températures de fonctionnement."

Itération simplifiée

Au fur et à mesure de l'avancement de leur travail sur les turbines, les ingénieurs de Mohawk ont ​​collaboré avec des experts de Velo3D sur les itérations de conception, les modifications et les stratégies d'impression.

"C'était vraiment intéressant car nous n'avons pas eu à apporter de modifications majeures à la conception de la turbine d'origine avec laquelle nous travaillions - avec le système Sapphire de Velo3D, nous pouvions simplement imprimer ce que nous voulions", a déclaré Jose Luis Cordova. "Nous avons fait quelques ajustements de processus et peaufinés en termes de considérations de structure de support et de modifications de finition de surface."

Au fur et à mesure que le projet de la turbine avançait, la FA a fourni des délais d'exécution beaucoup plus rapides que ce que le moulage ou le fraisage auraient permis, car les pièces pouvaient être imprimées, évaluées, itérées et imprimées à nouveau, rapidement. Lors des cycles d'impression 3D ultérieurs, plusieurs exemples d'anciennes et de nouvelles conceptions de roue pourraient être réalisés simultanément sur la même plaque de construction pour comparer les résultats.

La taille relativement petite des roues (60 mm de diamètre) a nécessité le développement par l'équipe d'un « carénage sacrificiel », une enceinte imprimée temporaire qui maintenait les pales pendant la fabrication.

Linceuls sacrificiels et surfaces plus lisses

Matt Karesh, Velo3D a dit :

Ce qui était vraiment intéressant dans cette approche, c'est que les roues à aubes enveloppées sont, pour la plupart des technologies additives actuelles, fondamentalement intouchables en raison de toutes les structures de support traditionnelles dont elles ont besoin.

"Nous avons utilisé une approche, non sans support, mais avec un support réduit. Mohawk disait : 'nous n'avons pas besoin du carénage à la fin, mais le carénage améliore notre pièce, nous allons donc attacher cette chose qui est généralement extrêmement difficile à imprimer - et juste la couper après.'"

"Grâce à la technologie de Velo3d, ils ont pu construire ce carénage jetable sur leur roue, obtenir les formes de profil aérodynamique et de chemin d'écoulement qu'ils voulaient, puis c'était une opération d'usinage très simple pour retirer le carénage."

Ingénieur mohawk, Rochelle Wooding, la finition de surface était une autre priorité :

La surface était un peu rugueuse dans nos premières itérations.

"Ce qui était intéressant avec le carénage sacrificiel, c'est qu'il nous a donné un chemin d'écoulement à travers les lames que nous pouvions utiliser pour corriger la rugosité à l'aide du rodage par extrusion ; il a fallu quelques itérations supplémentaires pour déterminer la quantité de matériau à ajouter aux lames pour obtenir l'épaisseur de lame requise que nous voulions. La finition de surface finale que nous avons obtenue est comparable à celle d'une pièce moulée et convient à nos besoins sur le plan aérodynamique."

Tests futurs, perspectives d'avenir

Les prochaines étapes consistent à moderniser les AORB avec les nouvelles roues et à les tester dans des conditions de terrain. "Nous espérons que l'exécution réussie de ces deux tâches démontrera pleinement que les pièces en Inconel imprimées en 3D fournies par la technologie LPBF sont une alternative viable et fiable pour la fabrication de composants de turbomachines", a déclaré Jose Luis Cordova. Des travaux sont déjà en cours en utilisant la FA pour d'autres pièces de soufflante comme les boîtiers et les volutes.

« Grâce à ces projets financés par le DOE, nous avons pu développer une bibliothèque de pièces communes. Sur la base de l'idée originale, nous avons maintenant au moins trois plates-formes complètement différentes qui peuvent servir différentes capacités d'alimentation pour soutenir les progrès de l'énergie propre du futur », a conclu Jose Luis Cordova.

L'impression 3D de pièces de pile à combustible fait baisser les coûts (énormément), 21 octobre 2022