La stampa 3D espande le possibilità per l’energia rinnovabile

Le risorse naturali della Terra non sono illimitate e la ricerca di alternative si sta intensificando. I combustibili fossili come carbone, gas naturale, propano e altre soluzioni a base di carbonio comportano un bagaglio considerevole, inclusa la volatilità sia del prezzo che della disponibilità. Storicamente, i cosiddetti eventi del cigno nero, inclusa l’invasione dell’Ucraina, hanno causato massicce oscillazioni dei prezzi dei prodotti su cui fanno affidamento le industrie e i consumatori. Inoltre, ci sono gli onnipresenti problemi dei gas serra e di altri inquinanti legati alla combustione di combustibili fossili.

Sia le aziende che i consumatori sono sempre più alla ricerca di soluzioni interne che garantiscano stabilità nei prezzi e nella disponibilità. Per le aziende più grandi, in particolare i servizi di pubblica utilità, la geotermia potrebbe essere una di quelle risposte. Soprannominati “il sole sotto i nostri piedi”, i sistemi geotermici sfruttano il calore estremo della terra per far girare le turbine e creare elettricità pulita e affidabile. Sebbene sia necessario andare in profondità, davvero in profondità, per raggiungere gli strati che forniscono calore sufficiente per far funzionare le turbine, i vantaggi sono chiari: le fonti geotermiche sono costanti e non sono influenzate dalle turbolenze politiche ed economiche.

Rendendosi conto di ciò, il Dipartimento dell’Energia (DoE) ha lanciato nel 2020 l’American-Made Geothermal Manufacturing Prize, che offre più di 4,6 milioni di dollari per stimolare la ricerca su questa risorsa rinnovabile, con particolare attenzione alla produzione additiva (AM), o stampa 3D, per spostare il campo in avanti. Nel 2022, Downhole Emerging Technologies (DET) con sede a Houston si è portata a casa uno dei due primi premi da 500.000 dollari per lo sviluppo di una nuova forma di sistema packer, un elemento critico che regola il flusso di calore e vapore nei pozzi geotermici. Il risultato non sarebbe stato possibile senza AM.

Una cosa da ricordare è che la Terra è tutt’altro che ospitale a queste profondità. Tra temperature estreme fino a 700° F (371° C), sufficienti a fondere alcuni metalli, e ambienti altamente corrosivi, è necessario trovare i materiali e le geometrie delle parti giuste per resistere a tali abusi. Ciò richiede modellazione, test e iterazione per determinare l'efficacia di ciascuna parte.

I fondatori di DET Ken Havlinek e Tingji "TJ" Tang hanno lavorato per anni nel settore del petrolio e del gas. Poiché i pozzi in queste applicazioni sono meno profondi, i loro packer sono generalmente realizzati in gomma o plastica, materiali che si scioglierebbero nel calore delle profondità della Terra. Per questo concorso, i partner hanno portato le loro conoscenze nel regno dell’energia geotermica e hanno progettato una soluzione elegante e una nuova sfida per la stampa 3D.

In passato, alcune di queste parti potrebbero essere state prodotte utilizzando la lavorazione CNC o lo stampaggio a iniezione. Sebbene entrambi costituiscano parti eccezionali, il processo di modifica dei progetti per ottenere i risultati desiderati è più complesso. Con lo stampaggio, è necessario creare un nuovo strumento (stampo) per ogni iterazione, il che richiede tempo e denaro.

Dopo un'attenta valutazione, DET ha pensato che sarebbe stato possibile stampare alcune delle loro parti, compreso il packer. Anche la stampa aveva senso perché il tempo stringeva. Le scadenze erano imminenti e la stampa 3D offriva l’opportunità di iterare e migliorare rapidamente la progettazione delle parti. In qualità di veterano dell'industria del petrolio e del gas, Havlinek ha ammesso che inizialmente AM non aveva pensato di realizzare l'imballatrice e alcune altre parti, ma il premio DOT lo ha aiutato a vedere le sue idee in un modo nuovo.

"Come me, gli esperti che stanno lavorando su queste sfide geotermiche non necessariamente apprezzano o comprendono il valore che la produzione additiva può apportare", ha riconosciuto Havlinek. Grazie ai rapidi consigli di progettazione per la produzione forniti da Protolabs, DET ha potuto sperimentare più materiali, modificare le geometrie e vedere i risultati in pochi giorni.

Era un dato di fatto che le parti dovessero essere di metallo. Nient'altro sopravviverebbe nell'ambiente sotterraneo surriscaldato e corrosivo. Ciò significava utilizzare la sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), un processo di stampa che utilizza metalli in polvere come materiale di base per costruire una parte strato dopo strato, saldando insieme minuscoli granelli di polvere metallica mediante un laser ad alta potenza. In sostanza, il laser disegna la parte nel letto di polvere finché non sono stati formati tutti gli strati e la parte è completata.