3D 프린팅으로 재생 에너지의 가능성 확대

지구의 천연 자원은 무한하지 않으며 대안을 찾는 노력이 점점 더 활발해지고 있습니다. 석탄, 천연가스, 프로판 및 기타 탄소 기반 솔루션과 같은 화석 연료에는 가격과 가용성의 변동성을 포함하여 상당한 부담이 따릅니다. 역사적으로 우크라이나 침공을 포함한 소위 블랙 스완 사건은 업계와 소비자가 의존하는 제품의 가격 변동을 크게 일으켰습니다. 또한 화석 연료 연소와 관련된 온실 가스 및 기타 오염 물질 문제가 곳곳에 존재합니다.

기업과 소비자 모두 가격과 가용성 측면에서 안정성을 제공하는 자체 개발 솔루션을 점점 더 찾고 있습니다. 대기업, 특히 유틸리티 기업의 경우 지열이 그러한 대답 중 하나가 될 수 있습니다. "우리 발 아래의 태양"이라고 불리는 지열 시스템은 지구의 극심한 열을 이용하여 터빈을 돌리고 깨끗하고 안정적인 전기를 생산합니다. 터빈을 돌릴 만큼 충분한 열을 공급하는 층에 도달하려면 아주 깊이 들어가야 하지만 이점은 분명합니다. 지열원은 일관되고 정치적, 경제적 혼란에 영향을 받지 않습니다.

이를 깨닫고 에너지부(DoE)는 2020년에 미국산 지열 제조상(American-Made Geothermal Manufacturing Prize)을 시작했습니다. 이 상은 적층 제조(AM) 또는 3D 프린팅에 중점을 두고 이 재생 가능 자원에 대한 연구를 확대하기 위해 460만 달러 이상을 제공합니다. 필드를 앞으로 이동합니다. 2022년 휴스턴에 본사를 둔 Downhole Emerging Technologies(DET)는 지열정의 열과 증기 흐름을 조절하는 중요한 요소인 새로운 형태의 패커 시스템 개발로 50만 달러의 대상 두 개 중 하나를 수상했습니다. AM이 없었다면 이 성과는 불가능했을 것입니다.

기억해야 할 한 가지는 지구가 이런 깊은 곳에서는 전혀 친절하지 않다는 것입니다. 일부 금속을 녹일 수 있을 만큼 높은 700°F(371°C)의 극한 온도와 부식성이 높은 환경 사이에서 이러한 남용을 견딜 수 있는 올바른 재료와 부품 형상을 찾아야 합니다. 이를 위해서는 각 부분의 효율성을 확인하기 위해 모델링, 테스트 및 반복이 필요합니다.

DET의 창립자인 Ken Havlinek과 Tingji "TJ" Tang은 석유 및 가스 산업에서 수년간 근무했습니다. 이러한 용도의 우물은 더 얕기 때문에 패커는 일반적으로 깊은 지구의 열에 녹을 수 있는 고무나 플라스틱으로 만들어집니다. 이번 대회를 위해 파트너들은 자신들의 지식을 지열 에너지 영역에 적용하고 우아한 솔루션과 3D 프린팅에 대한 새로운 도전을 설계했습니다.

과거에는 이러한 부품 중 일부가 CNC 가공이나 사출 성형을 사용하여 제조되었을 수 있습니다. 둘 다 뛰어난 부품을 만드는 반면, 원하는 결과를 얻기 위해 설계를 조정하는 과정은 더 복잡합니다. 성형을 하려면 반복할 때마다 새로운 도구(금형)를 만들어야 하는데, 이는 시간과 비용이 많이 듭니다.

주의 깊게 평가한 후 DET는 패커를 포함하여 일부 부품을 프린트하는 것이 가능할 것이라고 생각했습니다. 시간이 촉박했기 때문에 인쇄도 의미가 있었습니다. 마감 기한이 임박했고 3D 프린팅은 부품 설계를 빠르게 반복하고 개선할 수 있는 기회를 제공했습니다. 석유 및 가스 산업의 베테랑인 Havlinek은 AM이 처음에는 패커와 기타 부품을 만들 생각을 하지 않았지만 DOT 상을 통해 자신의 아이디어를 새로운 방식으로 보는 데 도움이 되었다고 인정했습니다.

Havlinek은 "나처럼 지열 문제를 연구하는 전문가들도 적층 제조가 가져올 수 있는 가치를 반드시 인식하거나 이해하지는 않습니다."라고 인정했습니다. Protolabs의 신속한 제조를 위한 설계 조언 덕분에 DET는 여러 재료를 실험하고 형상을 조정하며 며칠 내에 결과를 확인할 수 있었습니다.

부품을 금속으로 만들어야 한다는 것은 당연한 일이었습니다. 과열되고 부식성인 지하 환경에서는 그 어떤 것도 살아남을 수 없습니다. 이는 분말 금속을 기본 재료로 사용하여 층별로 부품을 만들고 고출력 레이저로 작은 금속 분말 입자를 용접하는 인쇄 공정인 직접 금속 레이저 소결(DMLS)을 사용한다는 의미입니다. 기본적으로 레이저는 모든 층이 형성되고 부품이 완성될 때까지 파우더 베드에 부품을 그립니다.