При выводе из эксплуатации лопастей ветровых турбин их обычно утилизируют и выбрасывают на свалку, поскольку они не могут быть переработаны. Только в США в течение следующих четырех лет эта участь постигнет более 8000 лопастей. Поскольку ветровые установки увеличиваются, то и это число будет увеличиваться. Это потому, что большинство лопастей изготовлены из эпоксидной смолы или других термореактивных смол. Так, исследователи Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) используют термопластичную смолу, разработанную компанией Arkema Inc., которую можно повторно нагреть и поэтому повторно использовать. И это еще не все. Для создания лезвий требуется меньше времени и тепла. Они могут быть изготовлены на месте, что дополнительно снижает затраты. Лопасти могут быть прочнее, легче, длиннее и легче ремонтироваться. А сочетание термопластов и термической сварки также означает, что эти лопасти хорошо работают даже в морской воде, открывая двери для подводных подводных энергетических установок первого поколения.
По состоянию на январь этого года, было почти 1,5 миллиона электромобилей, движущихся по дорогам США, перерабатывалось и/или компостировалось примерно 35% отходов и примерно 20% производства энергии в США происходит из возобновляемых источников.
По данным Американской ассоциации ветроэнергетики, выработка энергии ветра росла на 7,3 гигаватта (ГВт) установленной мощности за каждый год последнего десятилетия. И, по состоянию на 2019 год, было приблизительно 96 ГВт установленной мощности ветра в Соединенных Штатах и 591 ГВт во всем мире.
Хотя расширение возобновляемых источников энергии, несомненно, является позитивным сдвигом, не все возобновляемые источники энергии являются возобновляемыми от начала до конца.
Сегодняшние лопасти не могут быть переработаны
Недавняя статья Bloomberg News вызвала беспокойство, осветив в центре внимания Каспер, штат Вайоминг, где находится кладбище для почти 900 лопастей ветряных турбин.
Муниципальный полигон Каспера служит в качестве последнего места отдыха для отработанных лопастей, объем которых растет экспоненциально по мере продолжения устойчивого расширения энергии ветра. В статье высказывалось предположение, что только в течение следующих четырех лет Соединенные Штаты выведут из эксплуатации более 8000 лопастей.
В то время как другие части ветротурбины могут быть повторно использованы или переработаны, лопасти, как они в настоящее время построены не могут быть. Исследование показало, что каждый мегаватт установленной мощности составляет 9,6 метрических тонн композитных отходов.
Это создает значительную проблему на этапе окончания срока службы лопастей — как с экологической, так и с экономической точек зрения.
Поскольку коллекция списанных лопастей умножается, напрашивается вопрос: куда они пойдут?
Создание лучшей лопасти с использованием термопластичной смолы
Исследователи NREL и их партнеры увидели возможность в рамках этой задачи.
Используя огромный опыт фундаментальных исследований, разработок и валидации в области ветроэнергетики, исследователи NREL разработали подход к производству лопастей ветровых турбин с использованием системы термопластичных смол, разработанной компанией Arkema Inc.
Обычно лопасть изготавливается из эпоксидных или других термореактивных смол. Эти типы материалов трудно и дорого утилизировать. Из-за этих проблем отработанные термореактивные лопасти практически гарантированно окажутся на свалке.
Система термопластичных смол является потенциально новаторской разработкой, поскольку она позволяет перерабатывать лопасти в конце их срока службы.
И это не просто перерабатываемость, которая отличает эти лопасти следующего поколения друг от друга.
…с тепловой сваркой
«Использование системы термопластичной смолы, включая термическую сварку, является ответом на создание более длинных, более дешевых, перерабатываемых лопастей ветряных турбин», — пояснил исследователь NREL Робин Мюррей.
«Именно возможность использования этого расплавленного термопласта в тех же процессах, которые в настоящее время используются производителями лопастей, делает эту смолу отличной от других термопластов, которые широко используются в других отраслях промышленности», — сказал Мюррей.
Эти термопластичные смолы включают процесс производства, который позволяет лопастям ветротурбины быть повторно использованными в конце их жизни и также уменьшает время, цену, и энергию включенную в производство.
Основными движущими силами стоимости лопасти являются материалы и прямая рабочая сила.
Изготовление термопластичных лопастей позволяет снизить трудозатраты благодаря более быстрому циклу отверждения по сравнению с термореактивной смолой/эпоксидной смолой.
…меньше тепла
Кроме того, поскольку термопласты не требуют тепла для отверждения, затраты на оборудование и рабочую силу ниже, чем они были бы для обычного эпоксидного лезвия, в котором требуется нагретый инструмент или печь после отверждения.
Кроме того, термопластичные лезвия могут быть термически соединены, вместо того чтобы полагаться на клеевые соединения. Лезвия потенциально могут быть сделаны более прочными и легкими, а также их можно легко отремонтировать по сравнению с обычными.
…на месте производства
Система из термопластичной смолы прокладывает путь для производства лопастей на месте, так что большие лопасти могут быть изготовлены при гораздо меньших транспортных расходах.
И, хотя эти причины не являются достаточным доказательством ценности термопластов и термической сварки, эти лезвия также хорошо работают в морской воде, открывая дверь для бесчисленных применений в морской энергии.
Морская энергия
Морская энергия — это, так сказать, волна будущего, хотя термопластичные композиты еще предстоит проверить в полном масштабе и в реалистичных, погруженных в воду условиях эксплуатации.
Исследователи NREL работают над тем, чтобы изменить это.
NREL является одной из немногих лабораторий, обладающих потенциалом и возможностями для производства полномасштабных лопастей для использования в таких средах.
Исследователи могут производить композитные лопатки на учебном и технологическом предприятии по производству композитов и выполнять полномасштабную структурную проверку лопаток в лаборатории структурной технологии NREL.
Поскольку энергия ветра продолжает стремительно расти, а морская энергетика становится значимей, очень важно, чтобы жизненный цикл турбины оставался в центре внимания этих отраслей, чтобы они не стали жертвами непреднамеренных последствий, таких как тонны турбинного мусора.
Сотрудничая с промышленными партнерами, исследователи NREL работают над тем, чтобы вывести эти инновационные, перерабатываемые лезвия на рынок.
Новаторская работа NREL в области термопластов помогает замкнуть круг, гарантируя, что сегодняшние лезвия станут также завтрашними лезвиями.
