Mulighed for grønne metanolmotorer i kolde klimaer: En 3D-printet løsning fra Heatflow

Den danske SMV, Heatflow, har sammen med 3D-print specialister fra Teknologisk Institut demonstreret, at det er muligt at bruge metal 3D-print til en gas-til-gas varmeveksler. Dette blev gjort i et Mission Booster-projekt finansieret af Innovationsfonden.

I kapløbet mod bæredygtig transport ses grøn metanol som et lovende alternativt brændstof, især til tunge transportmidler som lastbiler og skibe. Dog har en væsentlig teknisk barriere hæmmet den brede udbredelse i Nordeuropa samt andre steder med lignende klima: metanolmotorer vil simpelthen ikke starte ved lave temperaturer.

- Disse motorer kører fint om sommeren, men om vinteren vil de bare ikke starte. Denne udfordring har skabt en kritisk flaskehals for udbredelse af metanol i hele Skandinavien og andre kolde regioner. Metanoldampe kan ikke antændes under 11°C, hvilket betyder, at en standard metanolmotor er umulig at starte ved lavere omgivelsestemperaturer, forklarer Simon Brudler, 3D-print specialist og seniorkonsulent på Teknologisk Institut

Denne begrænsning har skabt en geografisk skillelinje i grøn forsyning – hvor det sydlige Europa kan implementere metanolmotorer hele året, forbliver teknologien uopnåelig for norden, hvor der er størst behov for den grønne omstilling.

Anvendelse af AM for kompakt ydeevne

I Mission Booster-projektet, som var finansieret af Innovationsfonden, gik den danske leverandør af termiske løsninger, Heatflow, og Teknologisk Institut sammen om at udvikle en innovativ løsning på udfordringen: en kompakt, 3D-printet gas-til-gas varmeveksler, der gør det muligt for metanolmotorer at starte pålideligt ved frostgrader.

Systemet fungerer ved, at en metanolbrænder kan arbejde ved temperaturer ned til -10°C. Denne brænder forvarmer luften gennem den specialdesignede varmeveksler, som i sidste ende opvarmer motoren nok til sikker start under kolde forhold.

- Den 3D-printede varmeveksler reducerede størrelse og vægt betydeligt, og efter varmebehandling steg varmeoverførselseffektiviteten med omkring 50%, hvilket var nøglen til at opnå kompakt integration, siger Paw V. Mortensen, direktør i Heatflow ApS.

Heatflow havde tidligere demonstreret funktionsprincippet for et sådant varmesystem, men det oprindelige design var alt for stort til praktisk integration i motorer – derfor blev 3D-print valgt til en optimeret version.

- 3D-print er nødvendigt for at gøre systemet kompakt nok til faktisk at kunne indbygges i en motor. Det handler mest om formfaktor – at opnå den samme ydelse på langt mindre plads, forklarer Simon Brudler.

3D-print gav flere fordele:

• Maksimér overfladearealet i en minimal volumen via komplekse interne geometrier, som ikke kan fremstilles konventionelt
• Skab komplicerede gyroid-strukturer, der optimerer varmeoverførselseffektiviteten
• Mulighed for hurtige designiterationer – selve design- og printfasen blev gennemført på mindre end en måned
• Opnå den rette størrelse til eftermontering i eksisterende metanolmotorer

Projektet viste, at additiv fremstilling muliggør en markant mere kompakt gas-til-gas varmeveksler, egnet til integration i motorer.

- Paw Mortensen, CEO, Heatflow ApS

Banebrydende nyt inden for gas-til-gas varmeveksling

Dette projekt tog fat på en særlig udfordrende applikation i AM-verdenen: gas-til-gas varmevekslere. Hvor de fleste 3D-printede varmevekslere i industrien er rettet mod væske-til-væske applikationer, viser dette projekt AM-teknologiens muligheder til gasbaserede termiske systemer.

- Vi påviste egnetheden af 3D-printede varmevekslere til gas-til-gas-applikationer og fremhævede, hvordan det åbner døre for lignende anvendelser i brancher, hvor varmeveksling mellem gasser er kritisk, siger Ellen M.J. Hedegaard, 3D-print forretningsleder på Teknologisk Institut.

Den endelige prototype blev 3D-printet i aluminium for at optimere vægt samtidigt med at opretholde den termiske ydeevne. Efter print fik projektet hjælp fra Teknologisk Instituts specialister inden for grønne energisystemer, der gennemførte omfattende performance-tests og således validerede systemets effektivitet til at starte metanolmotorer i kulde.

Selvom projektet primært var målrettet tunge motorer, har Heatflow siden identificeret klart potentiale for at tilpasse forvarmer-teknologien til maritime systemer, hvor lignende udfordringer findes. Dette skal afsøges i fremtidige udviklingsaktiviteter.

For Heatflow gav projektet et valideret proof-of-concept, der viste pålidelig koldstart under laboratorieforhold og bekræftede teknologiens potentiale for skalering.

- Samarbejdet med Teknologisk Institut var afgørende. De kombinerede DfAM (design for additive manufacturing) ekspertise med praktisk test, hvilket gjorde det muligt for os at gå fra koncept til valideret prototype på under et år, siger Paw V. Mortensen.

Ud over Heatflow og Teknologisk Institut var også Alicon partner og bidrog med system­specifikationer og integrationskrav.

Fakta om projektet – og videre perspektiver

Mission Booster-projektet resulterede i en fungerende prototype af varmeveksleren, som blev testet og verificeret i kontrollerede omgivelser. Fremadrettet undersøger Heatflow og Teknologisk Institut mulighederne for videreudvikling gennem nye projekter, da efterspørgslen på metanolmotorer fortsætter med at vokse.

Teknologien har for eksempel international relevans i andre kolde områder, hvor der er lignende udfordringer – fx Kina, hvor store bilproducenter søger løsninger til metanolmotorer ved lave temperaturer.

- Denne løsning fjerner en vigtig barriere for metanolmotorer i kolde egne. Med dokumenteret ydeevne ved -20°C gør den e-methanol til et realistisk brændstof til både tung transport og skibsfart, siger Paw V. Mortensen.

Foreløbig viser den vellykkede kombination af innovativt termisk design og avanceret 3D-print, hvordan additiv fremstilling kan løse specifikke, betydningsfulde udfordringer for den grønne omstilling – og gøre lovende bæredygtig teknologi til praktiske løsninger for kolde markeder.

Dette er et vigtigt skridt på vejen mod at gøre grøn metanoldrift mulig i kolde klimaer.

- Paw Mortensen, CEO, Heatflow ApS