DfAM专栏 | 增材制造将成为新能源数字化转型的主旋律之一
增材制造技术作为一种新兴的制造技术，一经出现就在制造业引起了广泛的关注，尽管它目前还存在着不尽如人意的地方，但是人们普遍认为这是一种具有巨大发展潜力和想象力的技术，代表着数字化转型的重要发展方向之一。安世亚太公司深耕增材制造产业化应用多年，深刻认同增材制造在未来数字化制造变革中的核心地位，我们基于多年的项目经验和思考沉淀，推出了“增材思维 数智未来”系列文章。
当今世界处于百年未有之大变局，以数字化、网络化、智能化为特征的新一代智能技术日益创新突破，推动全社会进入数字化时代。波士顿咨询指出，数据将是未来制造业的命脉，但获取、应用数据的前提与基础则是企业必须要实现数字化与智能化转型。而当前，中国新能源企业已站在全球制造业数字化转型的浪潮之巅，全球巨头觊觎之下，中国新能源走在了转型与升级的十字路口，一次看似不起眼的创新或再次引发山呼海啸的巨变。增材制造的数字化基因，其产业化发展将是新能源数字化转型的重要一环。
本文是该系列文章的第六篇内容（前五篇内容见文末链接），阐述DfAM设计思维解决增材制造降本增效问题，更多精彩内容敬请期待。
增材制造能改变新能源格局么？
01 气候变化、新能源转型以及零碳发展
1850-2019年期间，人类总计排放约2.4万亿吨温室气体，地表温度较工业化前水平上升近1.1℃，气候变化对环境、社会、经济的影响日益加剧，极端天气发生的频率增加，海平面加速上升，上百万物种濒临灭绝。为应对气候变化，2015年全球近两百个国家通过《巴黎协定》，明确减少温室气体排放，本世纪内控制温升在工业化前水平2℃以内，并力争1.5℃的气候共识，全球需在本世纪中叶前后实现温室气体净零排放。
在本世纪中叶前后实现温室气体净零排放是实现《巴黎协定》目标的关键，据政府间气候变化专门委员会（IPCC）数据，在本世纪控制温升1.5℃的情景下，2020年后全球碳排放总量需控制在5000亿吨二氧化碳当量以内，而2019单年全球排放量已超500亿吨，按照当前发展趋势，本世纪中叶将难以达成净零目标，零碳发展和新能源转型亟需加速。
回顾2021年，新冠肺炎疫情影响下的经济复苏带动全球能源需求反弹。这一点，再加上供应方面的限制，导致能源价格显著上涨，尤其是天然气和电力。尽管天然气价格在疫情开始时触及30年低点，但在2021年达到了近20年来的高点。电力价格也出现了类似的波动，影响了许多企业的能源成本。麦肯锡汇聚数百名来自世界各地的专家，通过对各国、各部门以及能源产品的能源系统进行评估，发布了《2022年全球能源展望》。从报告我们可以看出能源市场有以下几个方面的发展：
尽管各国政府和企业越来越致力于实现大幅的脱碳目标，但由于地缘政治紧张局势和能源需求反弹，能源市场面临极端波动；
展望未来能源结构预计将转向电力，到2050年，电力、氢气和合成燃料将占能源结构的50%；
预计的化石燃料需求峰值将继续增长，石油需求预计在未来五年内达到顶峰；
即使所有作出净零承诺的国家都实现了它们的愿望，全球变暖预计到2100年将达到1.7°C；
新能源领域的总投资预计将以每年4%以上的速度增长，并预计将日益向非化石和脱碳技术倾斜；
2020年，中国正式宣布“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的双碳气候目标。近四十年以来，中国经济高速发展伴随着资源高强度消耗、化石能源大量消费、污染物与碳排放迅速增长。自2010年起，中国发布多项政策，采取产业转型升级、新能源结构调整、技术创新等多方面措施应对气候变化。2019年底，中国碳排放强度较2005年下降48%10，提前实现了2015年提出的碳排放强度下降40%-45%的目标。
此外，在社会效益层面，数字化转型还将持续推进新能源企业实现碳减排，并跨越进入可持续商业模式，实现与社会、生态环境的共生共振。中国新能源企业正从“世界工厂”向“科技创新中心”迁徙，正翻山越岭跨越重重障碍，未来智能工厂的容貌已经逐步开始显露。
02 中国新能源数字化转型
新能源转型是实现碳中和的关键因素，全球一半以上的温室气体排放来自能源行业，因此，能源行业是各国最为重视的减排领域，面临的减排任务艰巨。国际能源署发布的《2020能源技术展望》报告中显示，要实现全球经济与气候可持续发展，全球二氧化碳排放需在本世纪中叶前后实现净零排放，全球能源生产和消费模式需发生深刻变革。
能源转型主要包括两个方面内容 。一是实现能源结构调整，由化石能源向可再生能源转型，从能源生产、输送、转换和存储全面进行改造或者调整，形成新的能源体系，全面提升可再生能源利用率；二是加大电能替代及电气化改造力度，推行终端用能领域多能协同和能源综合梯级利用，推动各行业节能减排，提升能效水平。
中国已经成为全球能源生产和能源消费大国，基本形成了煤、油、气、电、核、新能源和可再生能源多轮驱动的能源生产体系。煤炭是保障能源供应的基础能源，原油产量保持稳定，天然气产量明显提升，在建核电装机容量世界第一，可再生能源开发利用规模快速扩大，水电、风电、光伏发电累计装机容量均居世界首位。
零碳转型、能源转型与数字化转型的深度融合，正在驱动能源供需方式和商业生态发生深刻变化，催生新的商业模式和新业态。例如通过整合能源咨询、绿能替代、多能互补、投建运一体化、能效管理、碳资产管理、数字化平台等能力提供一站式智慧能源服务，实现与用户双向互动和能源生态数据共享；数字技术及互联网公司等非传统能源企业加入市场，形成传统能源企业与新兴服务商共存的商业生态。
数字化转型是能源转型及零碳发展的重要支撑。通过能源各行业转型路径分析，开展碳资产管理、零碳运营、零碳供应链和负碳技术开发利用，可推动能源行业零碳转型。通过能源供应、消费、网络及市场等领域转型，形成以清洁能源为主的能源供应结构，提升各行业能效水平。通过能源流、碳流、信息流、价值流四流融合，赋能能源服务模式创新，加快能源生产、传输、存储、消费的数字化与智能化进程，形成多网融合的零碳智慧能源体系。
03 增材制造推动新能源数字化转型
智能制造的本质是把当今科技发展的成果，如传感器、物联网、大数据、云计算、智能算法等纳入到制造体系中，实现客观世界物理实体与数字世界逻辑实体的融合，使设备与设备、设备与工厂、各工厂之间以及供应链上下游企业间、企业与用户间形成无缝对接，企业可以更加精准地预测用户需求，并根据用户多样化、个性化的需求进行柔性生产，且实时监控整个生产过程。
增材制造的数字化基因，从工艺方法到制造方式都是数字化表达方式，且“One machine one factory”的特点，天然支持柔性制造、大批量差异化定制和分布式生产等制造业升级的趋势。此外，增材工艺自身的数字主线，包含和涉及的每个细节要素，清晰且流程化，能够贯穿整个产品生命周期。
一些新能源行业颠覆性产品例子是具有复杂结构的燃料电池和光热发电机，高活性的表面催化剂，和带有嵌入式功及功能集成性的反应器，这些案例都是利用到增材制造对形状自由、装配自由的设计特点。这些突破性应用仅仅是系列创新的开始，这些创新得益于3D打印释放的设计自由度与面向功能的正向设计。
西门子能源有限公司（Siemens Energy），作为是全球领先的能源技术公司之一，拥有丰富广泛的产品、解决方案和服务，覆盖从能源工业应用、发电、输电到储能的整体能源价值链，业务组合涵盖传统和可再生能源技术，如燃气轮机、蒸汽轮机、以氢气驱动的混合动力发电厂、发电机与变压器等。西门子能源超过50%的业务组合已经实现去碳化，并不断致力于推动绿色氢能和Power-to-X（电能多元化转换）等新型能源技术应用，其新技术应用过程中，已经逐渐将增材制造技术视为其行业发展的重要推动因素。因为其已经从产品开发中，发现增材制造对新能源行业的巨大价值和潜力。
①缩短75%的产品开发时间；
②降低65%生产过程中资源消耗；
③减少30%温室气体排放；
④灵活的设计自由度可以达到更好的散热，提高效率和功率输出
1）
增材制造对油气产业的推动
增材制造尚未开发的最大潜力领域之一是石油和天然气行业。在应用增材技术方面，石油和天然气行业相对滞后于汽车和航空航天等行业。然而，随着石油 行业面临严峻的挑战，从油价波动到转向替代能源，降低运营成本对该行业的利益相关者来说越来越重要。根据世界经济论坛(World Economic Forum)的数据，增材制造可以为油气产业节省成本和时间，价值高达300亿美元。
关于增材制造优势本文不过多阐述，主要探讨增材制造技术在油气行业的广泛应用面临的主要挑战。到目前为止，3D打印技术在油气行业的应用仍然有限。在一个通常规避风险的行业，目前缺乏将增材制造完全集成到生产和供应链流程中的制造基础设施。另一个挑战涉及认证和部件资格，确保可重复和可靠的生产过程对严格监管的行业至关重要，3D打印部件必须满足严格的质量标准。
因此，企业考虑确保生产重复性的方法，以提高对3D打印部件的信心，并简化认证的路径，这是至关重要的。这必须包括健全的监管框架、数字化生产计划以及先进的自动化和互联互通。特别是，后者对油气公司来说具有挑战性，开发采用增材制造的经济模型的关键问题在于识别合适的3D打印用例。在其他行业，制造商通常选择打印小批量需要的高度复杂的部件。然而，由于供应链的复杂性，这种方法并不总是适用于油气行业。这就是为什么行业发展自己的3D打印框架来识别案例和合适的技术是至关重要的。就像航空航天和汽车行业一样，早期采用者将成为这条道路的先驱。
然而，正如航空航天和汽车等行业所证明的那样，增材制造的好处远远超过了开发一种技术战略方法的挑战。随着油气行业寻求提高运营效率，增材制造等颠覆性技术将日益成为关注的焦点。
2）
增材制造对电力产业的推动
根据南极熊最新消息获悉，橡树岭国家实验室正在与主要制造商合作，验证金属3D打印常规部件在燃气轮机和核电领域应用可行性，这也将为后续非常规部件的开发铺平道路。如果所开发部件的可行性得以证实，增材制造将会为发电系统带来新的可能性。复杂的3D打印部件的几何形状有望提高电力效率并降低 制造成本，但是，当涉及到为社区和工业设施提供安全、可靠的电力的各类系统时，增材制造需要首先证明它在基础设施制造中的巨大潜能。
在燃气轮机的增材制造应用方面，西门子能源是整个能源生产链的领导者，并于已经成功将增材制造用于SGT-700燃气轮机的3D打印燃气燃烧器中。为了推动增材制造应用，西门子能源制定了三个战略方向：
1) 加大投资了解增材技术的潜力，意味着继续发展和学习如何为3D打印改进工艺设计；
2) 让越来越多的DfAM部件能够通过3D打印生产，西门子现在的目标是达到1000个以上的合格应用；
3) 开始与外部供应链合作，以便能够应对大批量产业化生产。前两个步骤是基于内部能力，第三个方面是基于与外部供应商的合作优化。
此外，GE将3D打印技术应用于风电塔筒和叶片。叶片是风机捕捉风能的核心部件之一，它直接关系到风机的整体性能和发电效益，在整个价值链中处于顶层。基于在航空发动机及燃机零部件3D打印上的丰富经验，GE去年与合作伙伴开始尝试应用3D打印和高性能混凝土来制造风机塔筒。
根据测算，通过将一个高度为80米的5MW风机提高至160米的高度，风电场运营商可以增加至少30%的发电量。让风机变得更高后，更轻则是下一个追求。最近，GE与美国能源部建立合作，研究使用3D打印制造风机叶片。这个为期25个月、耗资670万美元的项目将重点研究如何通过低成本的热塑性材料和3D打印技术制造一套风机叶片的叶尖部分。
完成后，GE团队及其合作伙伴——橡树岭国家实验室和美国国家可再生能源实验室将对产品的结构特性进行测试，并将三套叶尖安装到风机上。新材料的使用和效率的提高可以实现成本节约，而规模化生产则可以进一步帮助降本。通过GE和合作伙伴的共同努力，正在把更先进的材料技术应用于风机叶片中，以降低风电度电成本，提高性能，并持续推动电力行业的绿色低碳发展。
3）
增材制造对煤炭产业的推动
由于传统煤炭在能源消费中的比重逐步下降，煤炭企业需要积极推进转型升级。同时，煤炭行业的碳排放主要来自煤炭消费，如何优化产业布局和产业结构，如何推动煤炭消费侧节能减排，成为煤炭企业实现能源转型和零碳发展的关键。煤炭企业需坚持“减煤与去碳协同”的方向，逐步实现能源转型。
煤炭行业的数字化发展应该主要从产业链和价值链两个方向应用开始。对于产业链，提高煤炭低碳清洁生产水平，在煤炭产业链的各个环节（煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、采购、销售、安全保障、经营管理等）应用数字化技术，包括提升采掘设备智能化程度（如大型无人综采设备），实现高效数据传输（如井下5G技术）等，在提高煤炭生产效率、工作质量和安全性的同时，减少执行过程中的损耗。对于价值链，整合并优化煤炭价值链上的集成系统及相关技术，并依托数字化技术开展高阶分析，改进系统决策，实现产业上下游协同；建设煤炭行业一体化智慧管理系统，优化新型煤化工产业布局，实现运营高效化。
据悉，美国能源部宣布投资600万美元用于将煤炭废物加工成3D可打印材料，在国家能源技术实验室（NETL）的高级煤炭加工计划（ACP）中，将寻求通过生产支持新型技术的有价值的产品（例如用于增材制造的3D可打印材料）来提取煤炭废物的全部经济价值。
该计划名为“先进的煤炭废物处理：用于先进制造的树脂增强型煤长丝的生产以及衍生自煤的石墨的研究与开发”。目前正在发展两个应用的领域，其中一个集中在用于增材制造的煤增强长丝或树脂上，在这一领域的研发工作将看到使用融合沉积建模（FDM）或立体光刻（SLA）技术开发具有3D打印卓越性能或经济优势的煤增强丝和树脂。第二个领域将探讨经济生产煤衍生石墨的途径，这些途径可用于电池负极，质子交换膜燃料电池的双极板，超级电容器电极，碳复合材料的基材和润滑剂。
此外，美国怀俄明州一家叫做Ramaco Carbon的公司与硅谷3D打印公司Carbon签署生产合作协议。煤炭生产商Ramaco将使用Carbon的高速3D打印机，以煤炭中的碳为原料为第三方生产产品和零件。Ramaco计划在其提出的Brook Mine、iCAM和iPark的工厂中建立一系列以碳为基础的工业和制造设施，这三个区域将为制造商提供世界上唯一的完全整合碳资源研究、开发和生产设施。此外，Ramaco预计不久将推出首批3D打印产品，其中包括汽车和飞机零部件，医疗设备，化学树脂以及消费品和建筑产品。这些产品都将使用来自煤炭的碳制成，而关键在于将煤基碳纤维的价格推到每磅5美元的临界点以下。
04 新能源数字化转型应用增材制造路径
全球范围内的能源结构调整是解决传统能源枯竭和环境污染的唯一途径，新能源的应用应运而生。目前，许多国家提出了明确的新能源发展目标，制定了支持新能源发展的法规和政策，使新能源产业的规模持续扩大。同时，我国新能源产业正在从政策推动向成本推动转型，随着风电、光伏发电规模化发展和技术的快速进步，风电、光伏发电的成本已显著下降并趋近传统化石能源。在资源优良、建设成本低、市场条件好的地区已基本具备与燃煤标杆上网电价平价的条件。
未来，随着技术的持续进步，风电、光伏发电的价格竞争力仍将持续增强，伴随着建设规模限制的取消和抢装现象的消失，新能源产业将进入快速、良性发展的道路。面向碳中和目标，未来能源系统将面临高比例新能源接入、高灵活能源调度、综合化能源需求、多元化能源交易等诸多挑战，新能源转型任务艰巨。能源转型和零碳发展是复杂的系统性工程，应兼顾社会经济发展、能源供应安全与碳中和目标实现，涉及到能源战略调整、能源结构转变、能源体系优化、能源业务变革及节能减排行动，需数字化全面支撑。
国际能源署（IEA）发布报告，能源领域的数字化步伐显著加快，大量风险投资涌入，推动能源行业传统商业模式发生变革。随着科技创新，特别是数字化技术的不断发展，新的营收来源和新的服务形式不断涌现，能源领域的数字化成本不断降低，从而也降低了相关行业的准入门槛。但是，科技成果转化和应用是一个复杂的系统工程，具有长期性、不确定性和高风险性等特点，科技成果转化者要承担技术成熟度、市场变化和资金回报等方方面面的风险。1998年，时任美国众议院科学委员会副委员长弗农埃勒斯提出，科技成果转化需要跨越很深的“沟壑”，存在所谓的“死亡之谷”，新能源领域的数字化转型之路也不会是一帆风顺的。
增材制造因其独特的数字化优势，能源行业的企业已经认识到3D打印是数字化转型的重要内容和技术支撑，这项技术可以制造定制各种能源设备、能源生产设备以及相关零部件，并且，使用得当还可以降低成本、缩短交付周期、减少碳排放以及增加产品功能性等一系列特点。
所以，增材制造技术以及基于增材思维的正向设计方法能够为新能源数字化转型在“死亡之谷”之上架起一座“创新之桥”，3D打印在航空、航天、汽车以及医疗等领域的广泛应用和技术积累都可以为能源行业的技术应用拓展做铺垫，并且，增材制造已经在油气、电气、煤炭等能源领域发挥作用并展现出其价值。作为增材行业的从业者，对于3D打印技术应该保持清醒的认识，特别是新能源领域的产业化应用，应该从技术、文化、质量和商业模式四个角度入手。
1）技术
扩充专家和设计师团队
弥合技术和产业之间的鸿沟
允许终端用户参与性能评估
充分发挥增材的优势和潜力
充分开展多方合作
2）文化
知识分享，支持OEM/ODM采用AM
以客户为中心，提升内部资源协调
开展宣传和市场规划
加强研发采用增材思维重构设计
3）质量
从易到难逐步实施增材制造
逐步建立的标准化流程和体系
确保部件产业化生产一致性
逐步建立健全质检标准和流程
4）商业模式
了解竞争对手的动向
与合作伙伴进行战略规划
从低风险零件积累经验
专注和契合公司主营业务
增材制造技术允许通过量身定制的设计精确改进零件，例如金属3D打印的燃气涡轮部件有更高的效率，使用更少的燃料可以达到相同的输出，并因此产生更少的排放。更进一步，如果这些部件是专门为氢或生物燃料设计的，温室气体排放可以进一步减少。所有这一切都是建立在增材制造基础之上，促进新能源产业使用更少的电力和达到更高的材料利用率。
在能源领域，增材制造正在彻底改变零部件的开发和生产，由于遏制温室效应已成为全球能源政策的一个决定性因素，有必要推动增材制造超越传统生产的限制，提高效率，并能够使用越来越多的氢和生物燃料。随着新能源行业的发展，无论是为了更可持续的能源还是为了更好地开发自然资源，增材制造一直都在被探索，如何能够为新能源的数字化发展过程带来全新的解决方案。
安世亚太DfAM赋能业务部，基于增材思维的先进设计与智能制造整体解决方案的核心理念，集成系统工程、创新设计、仿真优化、增材工艺及生产控制、云应用、数字孪生等的知识与经验，在增材制造推动新能源数字化转型提出了五步进化路径，以助力新能源产业走向脱碳的未来。
在这一场数字化变革风暴中，实体制造业所代表的传统元素，将与数字化为基础的科技元素融合碰撞，并探寻出一条特色的中国制造业数字化转型道路。新能源数字化先行背后，即是中国智能制造的试验与赛跑，更多的制造业企业正在觉醒，选择拥抱数字科技。当前中国新能源企业已站在全球制造业数字化转型的浪潮之巅，并已成为践行可持续商业模式的“先锋”，增材制造不仅为能源行业带来了更大的创新潜力，也将成为新能源数字化转型的主旋律之一。
参考文献
1. McKinsey & Company: Global Energy Perspective 2022；
2. SIMENS ENERGY: Sustainability Report 2021；
3. 国网能源研究院：能源数字化转型白 皮 书；
4. 华为与德勤联合编写：全球能源转型及零碳发展白 皮 书；
5. 2022 roadmap on 3D printing for energy, Albert Tarancón et al 2022 J. Phys. Energy 4 011501
—作者—
王睿，安世亚太DfAM赋能业务部BD总监，日本国立山口大学创成科学研究科博士，主要负责增材制造应用开发、增材设计业务拓展，曾任中国国家智库广西知识产权发展研究院研究员。
增材制造，数字未来
增材制造作为一种新兴的制造技术，代表着数字化转型的重要发展方向之一。安世亚太公司深耕增材制造产业化应用多年，我们基于多年的项目经验和思考沉淀，推出了“增材思维 数智未来”系列文章。
