בצעד ענק לעבר עתיד ייצור החשמל וההנעה, צוות בראשות פרופסור חבר בני קוקורל ב הטכניון – המכון הטכנולוגי הישראלי, עיצבה טורבינת גז מיקרו באמצעות ייצור תוסף (AM), הידוע גם בשם הדפסת תלת מימד. פיתוח מהפכני זה מציג גישה גאונית כלפי עיקרון 'עיצוב לייצור תוסף', ומאתגר באופן משמעותי פרדיגמות ייצור קונבנציונליות.
בניגוד לטכניקות ייצור קונבנציונליות, הצוות של Cukurel וה- מעבדת טורבו מכונות והעברת חום ניצל את הפוטנציאל של AM בצורתו הטהורה ביותר. במילותיו, "כשאתה משתמש [AM] בדיוק כמו עוד טכניקת ייצור, אתה לא ממש מנצל את היתרונות של ייצור תוסף." במקום פשוט לשלב AM ככלי חלופי, הצוות דמיין אותו מחדש כמשאב ליבה, ויצר עיצובים אפריוריים כדי לספק אילוצים ולמנף את היתרונות של AM.
בלב המחקר שלהם עומדות טורבינות גז מיקרו, המיועדות לייצור חשמל פרופורציונלי. Cukurel מגדיר טורבינות גז מיקרו כמערכות המסוגלות לייצר חשמל מתחת ל-300 קילוואט ודחף מתחת לשני קילו-נוטון. בגישת AM, הצוות התחיל את הפרויקט הראשון שלהם, טורבינת גז מיקרו בקנה מידה 5 ס"מ שיכולה לספק 300 וואט לרחפן. המיקרו טורבינה מציעה עלייה משמעותית בזמן הטיסה הודות לצפיפות האנרגיה הגבוהה שלה בהשוואה לסוללות קונבנציונליות.
הצוות לא עצר בטורבינת הגז המיקרו; הם מינפו עוד יותר את הידע שלהם ב-AM במהלך משבר COVID-19. הם חידשו תכנון טורבו-מכונות הנתמך מראש בהרכבה עצמית עבור מאווררים רפואיים. "העברנו את הידע הזה שפיתחנו בארכיטקטורות טורבו-מכונות מובנות מראש לטורבינות גז", אמר Cukurel.
פריצת הדרך שמציעות טורבינות מיקרו גז המורכבות מראש, התומכות בעצמן, תלויה בזמינותן לפי דרישה ובעלות-תועלת שלהן. העלות העיקרית מוגבלת לזמן המכונה ולצריכת החשמל, מה שמפחית במידה ניכרת את הוצאות הייצור.
Cukurel הודה שעבודה חדשנית כזו אפשרית רק בשל שיתוף פעולה פורה עם מכון פון קרמן לדינמיקת נוזלים, אוניברסיטת איזמיר קטיפ סלביו PTC. הפרויקט במימון נאט"ו ראה שכל צד מביא את המומחיות הייחודית שלו לשולחן. מכון פון קרמן סיפק הדמיית נאמנות לאווירודינמיקה ובעירה, אוניברסיטת איזמיר קטיפ סלבי העניקה את כישורי דינמיקת הנוזלים החישובית שלה להערכת יכולת נשיאת העומס של מיסבים הידרוסטטיים, ו-PTC הציעה את הידע הנרחב שלה בטכנולוגיות AM, במיוחד באמצעות ה-CAD החזק שלה. מסגרת עיצוב וסימולציה, Creo.
מיטוב ביצועים עם ייצור תוסף
בהתייחס לאילוצי העיצוב לייצור תוסף, Cukurel מסביר שהם התחילו בפיתוח מודל הזמנה מופחתת. במילים פשוטות, זהו מודל אופטימלי ששומר על ההיבטים המכריעים של המערכת המקורית, אך מפשט אותה לצורך ניתוח ושימוש קלים יותר.
בתכנון מנוע סילון, באופן מסורתי, האווירודינמיקה תופסת את מרכז הבמה. המטרה היא להשיג ביצועים שיא במונחים של תרמודינמיקה, בתרגום ליחס דחף למשקל וצריכת דלק ספציפית, או במילים אחרות, כוח וצפיפות אנרגיה. עם זאת, גישה זו מדשדשת בכל הנוגע למנועים ממוזערים.
"מה שיצרנו הם מודלים מופחתים שתופסים את כל הדיסציפלינות הקיימות במנוע. אלה כוללים אווירודינמיקה, העברת חום, דינמיקה של רוטור ובערה, בין היתר", מסביר Cukurel. תחשוב על זה כמו עיבוי סימפוניה לביצוע סולו – אתה צריך לשמור על המהות של היצירה תוך כדי התאמה ליכולות של המבצע הבודד.
הוא ממשיך לפרט כיצד הם יצרו סביבת אופטימיזציה רב-תחומית שמכירה מראש את כל האילוצים של ייצור תוסף. זה בעצם אומר שהם עיצבו מערכת שמלכתחילה מבינה את הגבולות של מה שהיא יכולה ליצור. זה כמו אדריכל מנוסה שיודע לא לתכנן גג עם זוויות תלולות מכדי שחומרי הבניין יוכלו לתמוך בו.
הם הבטיחו שכל שכבה שנבנתה במהלך תהליך הייצור נתמכת בעצמה תוך ציות למגבלות של ייצור תוסף, הכולל שיקולים של זוויות שלוחה, עובי מינימלי ונקבוביות, בין היתר.
כשנשאל לגבי החומר המשמש ברכיב הנדון, Cukurel מאשר שזה חלק מתכת המודפס עם EOS M 290. "אנחנו גם משתמשים ב-Lithoz עבור כל ייצור הקרמיקה שלנו", הוא מוסיף. Lithoz היא חברה לייצור קרמיקה ש-Cukurel מדבר עליה מאוד, ומצהיר שהם "מאוד תומכים ונלהבים מהיישום הייחודי הזה של הטכנולוגיה".
רכיבים קרמיים, למרות שהם קשים יותר לייצור, מציעים יתרונות כמו גדלי פגמים קטנים יותר וגימורים חלקים יותר, מה שמוביל לשיפור הביצועים האווירודינמיים. ביצועים אלה מתורגמים לחיסכון משמעותי בצריכת הדלק, ומכאן המשיכה הפוטנציאלית של שימוש בקרמיקה עבור רכיבים ספציפיים.
Cukurel מסכם בהדגשת החשיבות של עמידה ביעד העיצוב הרעיוני, ומציין שסטייה של עד 5% יכולה להשפיע על חיסכון בדלק או על דחף כמעט באותו הפרש. בעולם עיצוב מנועי הסילון, אפילו האחוזים הקטנים ביותר יכולים להוביל לשינויים גדולים. ביצועי המדחס של חלקי הקרמיקה היו גבוהים מבחינה אווירודינמית איפשהו בין שלוש לארבע נקודות אחוז, "אני יודע שזה נשמע קטן, אבל אתה יודע שאנשים מקריבים את הילד הבכור שלהם בשביל ההבדל של 1% בביצועים," אמר Cukurel.
האם עתיד האנרגיה מודפס בתלת מימד?
את עתיד האנרגיה יכולים להמציא מחדש חוקרים ישראלים ועבודתם על מנועים מורכבים מראש באמצעות טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית. הפרויקט שלהם, המתמקד ביישום של טורבינות גז מיקרו בייצור אנרגיה מבוזרת, מטלטל את ההבנות המקובלות של יעילות אנרגטית ויוצר אפשרויות חדשות לקיימות.
Cukurel הציע שני יישומים שונים עבור הטכנולוגיה. ראשית, הוא הדגיש את השימוש הצבאי, במיוחד מערכות אוויריות בלתי מאוישות. בתחום זה, הפרעה בשרשרת האספקה מהווה דאגה משמעותית, שעלולה להשאיר פעולות חיוניות ללא רכיבים חיוניים כמו מיסבים למשך שישה עד תשעה חודשים. טכנולוגיית המנוע המורכב מראש עוקפת בעיה זו על ידי ביטול הצורך בשרשרת אספקה כזו לחלוטין.
היישום השני, וללא ספק משכנע יותר, הוא בייצור אנרגיה מבוזר. לתחנות הכוח הריכוזיות הקונבנציונליות יש מכסת יעילות אנרגטית של כ-65%, כלומר 35% מהאנרגיה שנוצרת פשוט הולך לפח. קוקורל הציע פתרון באמצעות חום וכוח משולב עם טורבינות גז מיקרו מבוזרות ביישובים.
הוא הסביר עוד, "אנרגיות מתחדשות הן מקורות מופרעים. אתה לא רוצה לסמוך על האם תהיה רוח היום, נכון? או שתהיה שמש היום. אתה רוצה לנהל את המפעל שלך לא משנה מה. אז איך יש לך רשת זריזה וחזקה גם כאשר האנרגיה המתחדשת שלך עשויה לייצר או לא לייצר?"
זריז בהקשר הזה לא אומר ריצה סביב מסלול. זה מתייחס ליכולת להסתגל במהירות ולהגיב לשינויים בביקוש לאנרגיה. במקרה זה, השינויים הללו הם התפוקות הבלתי צפויות של מקורות אנרגיה מתחדשים. תחנות כוח מרכזיות מסורתיות הן לא בדיוק יוסיין בולט במירוץ הזה – הן לא בנויות לשינויים מהירים. טורבינות גז קטנות קטנות, לעומת זאת, כן.
למרות שהפוטנציאל הטרנספורמטיבי של טכנולוגיה זו ברור, מכשול גדול טמון בהחזר על ההשקעה. כפי שהוא, העלות של טורבינות גז מיקרו אלה גבוהה מכדי להניב החזר ROI משביע רצון בפרק זמן סביר. עם זאת, הטכנולוגיה הנדונה כאן מציעה פריצת דרך פוטנציאלית על ידי הפחתה דרסטית של העלויות הנלוות.
יתר על כן, לחוקרים אלה יש תוכניות למסחר את עבודתם. ספין-אוף מהטכניון נמצא בקנה, ושותפויות עם שחקנים בתעשייה ומשקיעים אסטרטגיים על הפרק. קוקורל הביע את התרגשותו מההשפעה החברתית הפוטנציאלית של עבודתם, במיוחד במתן אפשרות לטורבינות גז מיקרו לשרוף אמוניה, שיכולה לשמש כדלק מתחדש, ירוק ונטול פחמן. הוא הסביר בלהט, "תשכח מכל העבודה הזו שהזכרתי לך. אוקיי, רק להיות מסוגלת להחזיק טורבינת גז מיקרו ששורפת אמוניה, מבחינת קיימות זו פריצת דרך".
אמוניה שימשה כדלק בעבר, בעיקר במהלך מלחמת העולם השנייה בבלגיה, אך עיצובי הבעירה לטורבינות גז השתנו באופן משמעותי מאז. הטכנולוגיה שCukurel וצוותו פיתחו – מבער מדיה נקבובי – מתאימה במיוחד לשריפת אמוניה. הם אמנם לא המציאו את מבער התקשורת הנקבובי, אבל הם הראשונים ליישם אותו על הנוף הזה.
כשהסקרנות שלי מעוררת מספיק, התעמקתי במכניקה של שריפת אמוניה.
קישור לכתבת המקור – 2023-06-22 19:11:07
