Energetyka wiatrowa do recyklingu

Turbina wiatrowa to urządzenie

Zgodnie z „Krajowym planem na rzecz energii i klimatu na lata 2021-2030” wynikającym z rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/1999 z dnia 11 grudnia 2018 r. w sprawie zarządzania unią energetyczną i działaniami w dziedzinie klimatu, zmiany dyrektywy 94/22/WE, dyrektywy 98/70/WE, dyrektywy 2009/31/WE, rozporządzenia (WE) nr 663/2009, rozporządzenia (WE) nr 715/2009, dyrektywy 2009/73/WE, dyrektywy Rady 2009/119/WE, dyrektywy 2010/31/UE, dyrektywy 2012/27/UE, dyrektywy 2013/30/UE i dyrektywy Rady (UE) 2015/652 oraz uchylenia rozporządzenia (UE) nr 525/2013, do 2030 roku Polska powinna podwyższyć udział OZE w elektroenergetyce do 32%, co oznacza znaczną rozbudowę krajowych farm wiatrowych off- i on-shore. Dla przykładu, w roku 2018 w Europie  zainstalowanych było ponad 70 tysięcy turbin wiatrowych, przy czym średnia ilość użytych kompozytów do produkcji turbiny wiatrowej wynosi od 12 do 15 ton na każdy zainstalowany MW, co oznacza, że sumaryczna ilość kompozytów znajdujących się w farmach wiatrowych wynosi aż 2,5 miliona ton [1]. Biorąc pod uwagę czas eksploatacji turbiny do 25 lat [2, [3] i 42 tysiące zdemontowanych turbin do roku 2020 [1], jednostki poeksploatacyjne są narastającym odpadem, który w najbliższym czasie wymagać będzie racjonalnego zagospodarowania. Części metalowe i stopy wchodzące w skład wieży, gondoli i innych elementów można wtórnie wykorzystać przez przetopienie, praktyczne bezstratnie dla jakości materiału. Głównym problem stanowi recykling łopat, które wykonane są z kompozytów włókien węglowych, bądź szklanych, żywic chemoutwardzalnych, klejów i wypełniaczy syntetycznych lub drzewnych. Według szacunków Centrum Informacji o Rynku Energii (cire.pl), do 2030 roku zużycie polimerów zbrojonych włóknami (FRP) do budowy instalacji wiatrowych wzrośnie do 4 mln ton. Popularną lecz szkodliwa praktyką jest składowane odpadu poeksploatacyjnego na wysypiskach lub w glebie, nieco lepszym sposobem ale o ograniczonym zasięgu  jest upcycling łopat do budowy wiat, kładek, mebli i elementów wyposażenia przestrzeni miejskich i ogrodów [4]. W literaturze pojawiają się doniesienia o próbach modyfikacji żywic w kierunku biodegradowalności, czy jak w przypadku inicjatywy [5] ZEBRA (Zero wastE Blade ReseArch), aplikacji żywicy, która może być w 100% może poddana recyklingowi. Takie innowacje dedykowane są jednak jednostkom dopiero planowanym do wytworzenia i zanim zostaną wdrożone do technologii produkcji i pełnowartościowej eksploatacji, jeszcze wiele setek tysięcy łopat na świecie będzie musiało być poddana recyklingowi.

Cel recyklingu

Recykling łopat turbin wiatrowych nie jest ukierunkowany na przedłużenie pełnego czasu życia produktu, ale raczej na możliwość wtórnego ich zagospodarowania w postaci wyrobu lub materiału z możliwie najwyższą jakością oraz zachowaniem i wykorzystaniem cech pierwotnych. Jest to realizowane w formie wyrobu przez ponowne użycie, zmianę przeznaczenia lub zmianę rozmiaru/kształtu, lub jako materiał recyklingowy – recykling, odzysk i konwersja. Podstawowym problemem przy upowszechnieniu recyklingu łopat jest koszt i brak rynku zbytu na przetworzone materiały [6]. Wszystkie procesy recyklingu mają negatywny wpływ na właściwości mechaniczne materiału, co oznacza obniżenie wytrzymałości nawet do 60% względem materiału pierwotnego (pierwszego obiegu). Ważnym aspektem jest energochłonność obróbki surowca odpadowego, czyli  zapotrzebowanie na energię potrzebną do przeprowadzenia procesów i koszty eksploatacji instalacji technologicznej. najkorzystniejszym rynkiem wtórnego użycia recyklatu jest zawsze obszar produkcyjny, z którego pochodzi odpad, co wpisuje się w ideę gospodarki cyrkularnej (GOZ). W przypadku braku możliwości obiegu zamkniętego, sprawdza są również możliwość zastosowania odzyskiwanego materiału w powiązanych rynkach, np.: w piecach cementowych jako materiał izolacyjny, surowiec do otrzymywania olejów i odzysku energii  [7]. Wszystkie prace ukierunkowane na recykling i zagospodarowanie surowców odpadowych mają na celu zmniejszenie przyrostu odpadu składowanego i utylizowanego metodami nieekologicznymi, ale z uwzględnieniem komercyjnej rentowności [8].

Metody recyklingu

Obecnie nie ma wiodącej metody recyklingu łopat turbin elektrowni wiatrowych. Większość została opracowana i sprawdzona w skali laboratoryjne, a do przeniesienia do skali przemysłowej należy poczynić jeszcze wiele prób i inwestycji [9] zgodnych z aktualnymi regulacjami prawnymi [10].

Najpopularniejsze metody recyklingu dedykowane łopatom turbin elektrowni wiatrowym, o największym potencjale wdrożenia rynkowego, można podzielić na grupy: mechaniczną, termiczną i chemiczną. Przy czym praktycznie wszystkie metody ukierunkowane są na odzysk włókien szklanych (GF) i węglowych (CF), odzysk żywicy jest pomijalny.

Metoda mechaniczna – mielenie, umożliwia odzysk włókna w ilości 50 (CF) i do 80 % (GF). W odpadzie kompozytowym oddziela się włókna używając cyklonu, a następnie mieli. Recyklat znajduje aplikację do izolacji cieplnych i akustycznych. Właściwości mechaniczne przy rozciąganiu zmielonego recyklatu są porównywalne do właściwości pierwotnego materiału. Z ekonomicznego punktu widzenia, ponowne wykorzystanie zmielonych włókien węglowych kończy się w drugim obiegu ze względu na obniżoną rentowność krótkich cząstek.

Metody termiczne – termoformowanie, czyli ciśnieniowe formowanie arkuszy surowca wtórnego w podwyższonej temperaturze prowadzące do częściowego uplastycznienia kompozytu i nadania pożądanego kształtu. Piroliza prowadząca do kontrolowanej degradacji termicznej i ukierunkowana na odzysk włókna z kompozytów w ilości ok
80 (CF) i 50 % (GF). Piroliza może obniżać wytrzymałość mechaniczną odzyskanego materiału. Prowadzi się ją w temperaturze powyżej 450°C. Matryca polimerowa jest tracona kosztem odzyskiwania oleju pirolitycznego lub energii do kolejnych reakcji.

Metody chemiczne to solwoliza i rozpuszczanie, które w niektórych przypadkach umożliwiają też odzysk włókna i matrycy polimerowej oraz włókno w postaci ciągłej (nieskróconej). Są to procesy długotrwałe, prowadzone z zastosowanie silnych rozpuszczalników organicznych i inicjatorów, co powoduje chemiczne zagrożenie dla środowiska i trudno jest je prowadzić na szeroką skalę. Statystyczny stopień odzysku włókien ponad 90% (CF) i do 60 % (GF).

Pod względem energochłonności najkorzystniejszy jest recykling mechaniczny, ponieważ zużycie energii do przygotowania recyklatu jest 10-20 większe niż w celu wyprodukowania nowego kompozytu.  W przypadku solwolizy do odzyskania włókna szklanego, zużycie energii do recyklingu jest zwykle większe niż do wyprodukowania nowego włókna [11, 12].

Sieć Badawcza Łukasiewicz dla recyklingu

W Łukasiewicz – Instytucie Elektrotechniki od 2021 roku prowadzone są intensywne prace nad recyklingiem tworzyw i kompozytów termo- i chemoutwardzalnych pochodzących z odpadów przemysłu elektroenergetycznego. W ramach projektów powstała linia technologiczna służąca do eksperymentalnej obróbki surowców odpadowych (rys.1.). Jest to linia wieloetapowa, złożona z urządzeń technologicznych wykorzystujących różne procesy jednostkowe mielenia i rozdrabniania, co umożliwia dobór mechanizmów, metod i parametrów technologicznych najwłaściwszych do uzyskania recyklatu dobrej jakości z odpadu tworzyw o różnej twardości, różnym stopniu wypełnienia i różnych charakterze dodatków (włókno ciągłe, cięte i dodatki proszkowe).

Najnowsze programy badawcze prowadzone w 2022 roku i inicjowane na rok 2023 mają na celu opracowanie metody obróbki odpadu poeksploatacyjnego z łopat turbin elektrowni wiatrowych i możliwie maksymalny odzysk surowca wtórnego o niezmienionym charakterze chemicznym. Taki recyklat będzie wykorzystywany do opracowania materiałów i produktów przeznaczonych do energetyki wiatrowej, realizując ideę gospodarki o obiegu zamkniętym i utrzymanie jakości i rentowności surowca w kolejnym cyklu życia.

Autorzy:

E. Zawadzka, H. Brzeziński, W. Fydlewicz, Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Elektrotechniki; A. Ceglińska, Politechnika Poznańska

Kontakt:

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Elektrotechniki
ul. Mieczysława Pożaryskiego 28, 04-703 Warszawa
Tel. +48 22 11 25 225
www.iel.lukasiewicz.gov.pl

Literatura:
[1] https://baxcompany.com/wp-content/uploads/2019/06/wind-turbine-circularity.pdf
[2] https://eandt.theiet.org/content/articles/2022/03/method-for-recycling-wind-turbine-blades-almost-waste-free/
[3] https://www.azocleantech.com/news.aspx?newsID=31357
[4] https://swiatoze.pl/pierwsza-na-swiecie-polska-kladka-z-upcyklingu-turbin-wiatrowych/
[5] https://www.lmwindpower.com/en/stories-and-press/stories/news-from-lm-places/zebra-project-achieves-
key-milestone-with-first-prototype-of-recyclable-blade
[6] Wind turbine blade recycling: Experiences, challenges and possibilities in a circular economy,
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032118306233
[7] Wind turbine blade recycling: An evaluation of the European market potential for recycled composite materials
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479721003315
[8] Offshore and onshore wind turbine blade waste material forecast at a regional level in Europe until 2050
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956053X20301306
[9] Recycling and reuse of composite materials for wind turbine blades: An overview
https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0731684419833470
[10] Recycling and recovery infrastructures for glass and carbon fiber reinforced plastic waste from wind energy industry: A European case study https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956053X20307108
[11] Recycling glass fiber thermoplastic composites from wind turbine blades
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652618333195
[12] Multidisciplinary Review of Recycling Methods for End-of-Life Wind Turbine Blades
https://www.mdpi.com/1996-1073/14/14/4247