Recarbon利用3D打印生產(chǎn)等離子碳反應器，為清潔能源提供新的解決方案

導讀：毫無疑問，我們這個時代最緊迫的問題之一是氣候變化。正如許多科學家所說，解決這個問題的關(guān)鍵是限制我們對化石燃料的消耗，并最終減少排放到大氣中的溫室氣體量。一種解決方案是轉(zhuǎn)向可再生能源，例如風能和太陽能。然而，還有另一個緊迫的問題：只要我們?nèi)栽陂_采和使用化石燃料，我們?nèi)绾螠p輕這些資源對地球的影響？總部位于加利福尼亞州的 ReCarbon希望利用3D 打印來推進內(nèi)部研發(fā)進程，從而回答這個問題。

這家總部位于加利福尼亞州的公司由等離子體物理學家 Jay Kim 于 2011 年創(chuàng)立，該公司開發(fā)了一種解決方案：可將等離子體碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和甲烷等溫室氣體轉(zhuǎn)化為清潔能源。正如Jay所說：該公司正在“在現(xiàn)在只有污染的地方創(chuàng)造循環(huán)”。事實證明，該公司的創(chuàng)新解決方案很大程度上歸功于增材制造，因為該技術(shù)使ReCarbon 工程師能夠自由地探索新概念并優(yōu)化其系統(tǒng)。

ReCarbon 的 PCCU 技術(shù)

ReCarbon 研發(fā)高級機械工程師Paul Hichwa介紹該公司時表示：“ReCarbon 是一家碳利用公司，將二氧化碳 (CO2) 和甲烷 (CH4) 等溫室氣體轉(zhuǎn)化為清潔燃料和產(chǎn)品。我們的使命是通過將廢物排放轉(zhuǎn)化為甲醇、乙醇、氫氣、可持續(xù)航空燃料（SAF）等有價值的低碳產(chǎn)品，實現(xiàn)難以減少的碳排放行業(yè)和生物源的脫碳�！�

該轉(zhuǎn)化過程由該公司的等離子碳轉(zhuǎn)化裝置 (PCCU) 實現(xiàn)，這是一個模塊化、可擴展的系統(tǒng)，每單位每天可生產(chǎn)高達 900 公斤的氫氣。Hichwa 詳細闡述了 ReCarbon 技術(shù)的工作原理：“等離子碳轉(zhuǎn)化裝置使用 ReCarbon 專有的浮動微波等離子體技術(shù)來打破溫室氣體的鍵，從而制造清潔燃料和產(chǎn)品。等離子體將二氧化碳和甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳，稱為合成氣。這一切都是在沒有催化劑的情況下完成的，并且可以由可再生電力提供動力。”

Hichwa 表示，這項技術(shù)可以使許多行業(yè)受益，特別是那些旨在“實現(xiàn)運營脫碳并創(chuàng)造低碳燃料和氣候積極產(chǎn)品”的碳排放行業(yè)。這些產(chǎn)品包括低碳和無碳乙醇、沼氣中的清潔氫氣、用于海運業(yè)的綠色甲醇和用于航空業(yè)的 SAF。

等離子碳轉(zhuǎn)換裝置 (PCCU) 是ReCarbon 的溫室氣體處理系統(tǒng)。PCCU 將碳排放轉(zhuǎn)化為氫氣和合成氣，用于化學品、燃料和能源等產(chǎn)品。例如，在標準 40 英尺集裝箱中配置 70 個排放葉片，每個 PCCU 模塊每天可生產(chǎn)高達 900 公斤的氫氣。

增材制造在研發(fā)中的作用

在 ReCarbon，增材制造已成為其研發(fā)和生產(chǎn)流程中不可或缺的一部分。其一，增材制造的應用使ReCarbon團隊能夠建立敏捷的開發(fā)和測試工作流程，為公司節(jié)省了大量的技術(shù)開發(fā)時間和金錢。另一方面，增材制造開啟了新的設(shè)計可能性，這是使用傳統(tǒng)制造工藝不可能實現(xiàn)的。

Hichwa 說“我們正在不斷開發(fā)和推進我們的技術(shù)。為此，我們依靠能夠明確我們方向并加速研發(fā)的技術(shù)。這需要快速迭代的測試范例。我們使用計算流體動力學 (CFD) 來指導概念構(gòu)思；使用高溫合金的增材制造來增強我們內(nèi)部的制造和加工流程，以生產(chǎn)新的反應堆設(shè)計；以及我們定制的、可配置的測試站，用于收集數(shù)據(jù)并評估新設(shè)計的性能。”

△ReCarbon創(chuàng)新的核心是 Emission Blade——一種獲得專利的微波等離子體發(fā)生設(shè)備，具有可靠性、高吞吐量和能源效率。

如果ReCarbon公司不在其開發(fā)周期中使用增材制造，那么它將面臨數(shù)周的時間安排，并且每一步都可能出現(xiàn)延遲。正如 Hichwa 解釋的那樣，使用傳統(tǒng)制造工藝的典型原型制作過程需要一到四個星期的時間來采購材料，需要兩到四個星期的時間將材料發(fā)送到機械車間，還需要兩到四個星期的時間進行后處理。然而，通過內(nèi)部 3D 打印，可在短短一周內(nèi)生產(chǎn)出可供測試的零件。他說：“這是一個巨大的減少，我們絕對需要擴大規(guī)模。這讓我們的團隊可以自由地進行實驗、測試和快速學習。”

優(yōu)化反應器設(shè)計

除了使用增材制造來加速測試零件的原型設(shè)計之外，ReCarbon 還利用該技術(shù)的設(shè)計自由度來優(yōu)化其反應器中的關(guān)鍵組件。Hichwa 說：“增材制造通過關(guān)鍵部件的新幾何形狀實現(xiàn)了更穩(wěn)健和優(yōu)化的設(shè)計。傳統(tǒng)的減材制造在可以輕松且經(jīng)濟高效地生產(chǎn)的幾何形狀方面存在局限性。”

例如，借助金屬增材制造，ReCarbon 能夠重新設(shè)計和整合其反應器中的關(guān)鍵部件。該零件之前由五個定制加工件組成，必須焊接在一起�，F(xiàn)在，該零件可以打印成單件，并受益于優(yōu)化的幾何形狀。

相關(guān)反應器組件是在 ReCarbon 的內(nèi)部EOS M 290 機器上使用 EOS NickelAlloy HX 打印的，EOS NickelAlloy HX 是一種能夠承受 1200°C 溫度的鎳鉻鐵鉬高溫合金。正如 Hichwa 總結(jié)的那樣，ReCarbon 在這種情況下使用增材制造“降低了總體組件成本，通過減少流程和組件數(shù)量來降低有缺陷零件的風險，降低了我們的供應鏈復雜性并增加了該組件的可操作范圍�！�

ReCarbon 的解決方案正在實施

ReCarbon的PCCU技術(shù)無疑具有改善碳排放的潛力，特別是對于鋼鐵、化工和水泥制造等因溫室氣體排放而臭名昭著的行業(yè)。據(jù) Hichwa 稱，該公司已經(jīng)引起了這些行業(yè)以及科技行業(yè)和清潔燃料供應商的濃厚興趣。

他補充道：“技術(shù)領(lǐng)導者很感興趣，因為他們希望實現(xiàn)雄心勃勃的碳減排目標。我們的技術(shù)可以幫助他們實現(xiàn)在供應鏈中創(chuàng)造循環(huán)的雄心。隨著我們不斷擴大我們的合作伙伴和合作者網(wǎng)絡，并建立廢物轉(zhuǎn)化為低碳和無碳產(chǎn)品的生態(tài)系統(tǒng)，清潔燃料和產(chǎn)品的大型購買者也表現(xiàn)出了極大的興趣�！�

ReCarbon 已經(jīng)完成了其可擴展PCCU 技術(shù)的三個試點項目，并于最近將該解決方案商業(yè)化。事實上，2022 年，該公司與石油勘探和生產(chǎn)公司 Woodside Energy 合作推出了一個旗艦商業(yè)項目。

Hichwa 解釋道：“這個旗艦項目展示了 ReCarbon 對于擁有雄心勃勃的碳減排目標的公司的價值，即部署技術(shù)以實現(xiàn)經(jīng)過驗證的碳減排。ReCarbon 還與美國、日本和韓國的公司合作，尋求對化學工藝、發(fā)電廠和生物廢物源（例如垃圾填埋場、廢水處理廠和有機廢物轉(zhuǎn)移設(shè)施）進行脫碳，以生產(chǎn)清潔、低碳和無碳的產(chǎn)品燃料和產(chǎn)品。”

最終，ReCarbon 在開發(fā)和部署PCCU 技術(shù)時將 3D 打印視為重要的解決方案。Hichwa總結(jié)道：“增材制造不僅可以通過快速原型制作減少研發(fā)所需的時間，而且還有可能成為我們更多下一代設(shè)備的主要制造方法。這將縮短和簡化我們的供應鏈，減少零件數(shù)量和復雜性，并提高工廠設(shè)備的可維護性�！�