Утилизация лопастей турбин: ахиллесова пята ветроэнергетики

Борьба с ветряными мельницами

Жители города Лунас на юге Франции требуют демонтировать несколько турбин ветряной электростанции Бернаг. Они годами борются за это, судебное разбирательство все еще продолжается.

«Мы не против ветряной энергетики. Мы против установки турбин в местах с богатым биоразнобразием. В регионе Окситания это 70% территории», — говорит Марион Вале, представитель «Коллектива 34-12» (Ассоциация по защите биоразнообразия и сохранения природных ландшафтов).

В ближайшее время в Европе будет демонтировано огромное количество ветряных турбин, но жалобы местного населения тут ни при чем. Ветряные турбины первого поколения устаревают, и их необходимо заменить более современными и эффективными. Этот процесс, называемый обновлением мощности, начался разными темпами по всей Европе.

Так что же происходит с лопастями сегодня? Большинство из них используются повторно. Например, в странах с развивающимися экономиками. Но количество выведенных из эксплуатации лопастей через пять-десять лет будет настолько большим, что придется менять всю систему. Сегодня те лопасти, которые не используются повторно или не сжигаются, в идеале для регенерации энергии, оказываются на свалке. Этот снимок был сделан в США и стал символом одной из темных сторон возобновляемых источников энергии во всем мире.

В окрестностях американского города Каспер есть полигон, на котором происходит утилизация лопастей от турбин ветрогенераторов. Причиной захоронения является несовершенство процессов утилизации, которые пока не позволяют полностью переработать лопасти. На территории «кладбища» хранится почти 900 лопастей. Официально их закапывают в землю, чтобы хранить до тех пор, пока не изобретут новые способы переработки, которые позволят утилизировать стекловолокно.

Да, к счастью, материалы, из которых сделана лопасть, безопасны и сами по себе не наносят вреда живым организмам, почве или воде. Но организация полигонов для захоронения неразлагающихся деталей становится настоящей проблемой — выводящихся из эксплуатации ветряков всё больше, площади для утилизации всё меньше, а организация таких мест нарушает экологический баланс, превращая зелёные участки в пустыри.

К примеру, всего в трёх 50-метровых лопастях маломощного (по сегодняшним меркам) ветряка содержится около 20 тонн полимеров, армированных волокном (FRP). Как такое количество полимерных материалов использовать повторно или эффективно перерабатывать? Их ведь нельзя сжечь или вывезти на свалку, как обычный мусор. И если не придумать хоть сколько-то приемлемый способ вторичного использования, то к 2050-му году утилизации будут ждать уже 40 млн тонн композитов. Такие данные приводит исследовательский проект Re-Wind, активно занимающийся поиском решения проблем переработки.

Уже четыре страны Европы запретили «кладбища турбин»

Летом 2021 года на ежегодном конгрессе Испанской ассоциации ветроэнергетики (AEE) Джайлс Диксон, генеральный директор WindEurope, и Хуан Вирхилио Маркес, генеральный директор AEE, призвали Европейскую комиссию предложить общеевропейский запрет на захоронение выведенных из эксплуатации лопастей ветряных турбин. Запрет должен вступить в силу к 2025 году, а также распространиться на другие крупные композитные компоненты в гондолах современных ветряных турбин.

«Энергия ветра — это зеленая технология. Устойчивое развитие — это часть нашей ДНК. Вот почему мы постоянно стремимся к дальнейшему снижению нашего воздействия на окружающую среду. Запрет на вывоз лопастей ветряных турбин на свалку поможет ускорить разработку экологически безопасных технологий вторичной переработки. В Австрии, Финляндии, Германии и Нидерландах уже действует запрет на захоронение отходов. Но мы призываем Европейскую комиссию предложить согласованный европейский подход», — говорит Джайлс Диксон, генеральный директор WindEurope.

Сегодня стандартный срок службы береговой ветряной электростанции составляет около 20-25 лет. 85–90% общей массы ветряной турбины уже можно утилизировать. Большинство компонентов, в том числе сталь, цемент, медная проволока, электроника и зубчатые передачи, прошли цикл переработки. Однако лопасти ветряных турбин сложнее утилизировать. Они содержат сложные композиционные материалы — комбинацию армированных волокон (обычно стеклянных или углеродных волокон) и полимерной матрицы. Эти композиты повышают производительность ветряных турбин. Они позволяют использовать более легкие и длинные лопасти с оптимальной аэродинамикой. Но их конфигурация также создает проблемы для вторичной переработки.

Такие композиты используются не только в лопастях ветряных турбин. Они являются важными материалами в таких секторах, как авиация, автомобилестроение, морской транспорт, аэронавтика, оборудование для отдыха и спорта, строительство и строительство.

Уже существуют технологии, доступные для переработки композитных материалов, но эти решения еще недостаточно зрелы, недоступны в промышленных масштабах и неконкурентоспособны по стоимости. Чтобы сделать эти технологии коммерчески жизнеспособными, потребуется поддержка со стороны политиков, других пользователей композитных материалов и предприятий по переработке вторичного сырья.

На наиболее развитых рынках ветроэнергетики в Европе срок эксплуатации первых турбин подходит к концу. WindEurope ожидает, что к 2025 году истечет срок службы около 25 000 тонн лопастей ежегодно. Больше всего списанных лопастей будет в Германии и Испании, за которыми следует Дания. К концу десятилетия Италия, Франция и Португалия также начнут в значительной степени выводить из эксплуатации лопасти, и годовой объем вывода из эксплуатации может удвоиться до 52 000 тонн к 2030 году.

Правительства и межотраслевые ассоциации могут сыграть решающую роль в вопросах утилизации и переработки лопастей ветряных турбин. Им следует увеличить финансирование исследований и разработок (НИОКР) по коммерциализации и расширению различных технологий утилизации композитных материалов.

В качестве следующего шага ветроэнергетическая отрасль планирует разработать дорожную карту, в которой будут подробно описаны шаги, необходимые для вторичного использования лопастей ветряных турбин. Необходимо тесно сотрудничать с химической промышленностью как поставщиком инновационных решений по переработке химических веществ, а также с другими отраслями промышленности, использующими композиты, где проблема вторичной переработки и утилизации композитов стоит также остро.

Лопастей много, а места мало, или как утилизировать ветрогенераторы

Лопасти ветрогенераторов электростанции Vindeby, закрывшейся в 2017 году, были использованы в качестве шумоподавительных барьеров на автомагистралях Дании. Стекловолокно, применяемое в строительстве ветряков, обладает лучшими шумозащитными характеристиками по сравнению с той же минеральной ватой ввиду своей высокой плотности.

Другая компания — The European Technology & Innovation Platform on Wind Energy — поделилась возможными перспективами превращения лопастей во вторсырьё. Для этого их режут на части и измельчают до волокон. Полученную структуру можно включать в производство досок из полимеров, поддонов для складских помещений, отделочных материалов для наружного применения. Также в Европе научились применять композитные материалы в строительстве — часть цементного сырья заменяется стекловолоконными и композитными материалами при производстве бетона. Оставшиеся органические включения сжигают как топливо вместо угля, снижая выбросы углеводорода в атмосферу.

Подразделение компании General Electric, которое занимается возобновляемыми источниками энергии, и производитель цемента Holcim заключили сделку по переработке лопастей ветряных турбин. В заявлении компании сказано, что они изучают «новые способы утилизации лопастей, в том числе в качестве строительного материала для строительства новых ветряных электростанций».

В декабре прошлого года GE Renewable Energy и Veolia North America подписали «многолетнее соглашение» об утилизации лопастей, снятых с береговых ветряных турбин в Соединенных Штатах. GE Renewable Energy сообщила, что лопасти будут измельчены на заводе VNA в Миссури, прежде чем «использоваться в качестве замены угля, песка и глины на предприятиях по производству цемента в США».

«Добавляя лопасти ветряных турбин, которые в основном сделаны из стекловолокна, чтобы заменить сырье для производства цемента, мы сокращаем количество угля, песка и минералов, необходимых для производства цемента», — сказал Боб Каппадона, главный операционный директор VNA.

Каппадона далее заявил, что в конечном итоге это приведет к «более экологичному цементу». Он добавил, что в прошлом году были завершены испытания с использованием лопаток GE, а этой осенью было обработано более 100 лопаток турбин.

Ссылаясь на анализ, проведенный Quantis US, компания GE Renewable Energy сообщила, что переработка лопастей позволит сократить выбросы CO₂ при производстве цемента на 27%. Что касается потребления воды, то чистое снижение составит 13%.

Ветряные мельницы вместе с тюльпанами и велосипедами стали главными символами Нидерландов. Дизайнеры из роттердамского бюро 2012Architecten придумали, как использовать лопасти ветрогенераторов заново. Детская площадка в спальном районе Роттердама была в запустении и нуждалась в ремонте. Ею занялся фонд Kinderparadijs Meidoorn, который и привлёк 2012Architecten к сотрудничеству. Дизайнеры взяли пять лопастей от ветряных мельниц, нарезали их и соорудили лабиринт с игровым полем посередине. По периметру установили башни из тех же нарезанных турбин. У каждой башни своя функция: дети могут играть на пожарной вышке, в кабине самолёта, на водонапорной станции или просто кататься с горки. Между башнями натянута сетка, которая одновременно служит скалодромом и защитой окон соседей от футбольных мячей. Площадка покрашена экологически чистыми красками на растительной основе и абсолютно безопасна для детей.

Сделать ветряные лопасти 100% перерабатываемыми

Сегодня ученые работают над альтернативными технологиями переработки композитных лопастей, такими как: механическая рециркуляция, сольволиз и пиролиз, фрагментация высоковольтным импульсом и другие методы. Успешные исследования в этих направлениях дадут возможность создавать безотходные ветровые турбины.

Например, испанская компания-старпат Reciclalia Composite для своих исследований и опытов использует лопасти из Франции, Португалии и Северной Африки. Они уверяют, что в скором времени смогут перерабатывать 1500 лопастей ежегодно.

«Мы можем удалить все органические материалы, входящие в состав этих композитов, чтобы получить чистое стекловолокно и, что более важно, углеродное волокно, чтобы использовать их снова. Где? Мы работаем с новаторскими компаниями в самых разных секторах, таких как керамика, строительство, транспорт, включая автомобили и аэронавтику», — Давид Ромеро, исполнительный директор Reciclalia.

«Как крупнейший в мире поставщик для ветроэнергетики, Vestas несет ответственность за ликвидацию отходов по всей своей цепочке создания стоимости», — отметил и.о. операционного директора Vestas Томми Рахбек Нильсен. «Ветроэнергетика продолжит быстро расти, поэтому у нас больше нет времени для консервативного подхода».

Компания отмечает, что на сегодняшний день ветротурбины Vestas пригодны для вторичной переработки в среднем на 85%, однако лопасти состоят из (пока) непригодных для переработки композитных материалов.

Vestas проанализирует все аспекты жизненного цикла ветрогенераторов с целью повышения степени переработки лопастей и гондол. Степень переработки лопастей будет увеличена с нынешних 44% до 55% к 2030 году. Компания запустит несколько инициатив, направленных на повышение эффективности обращения с лопастями после их вывода из эксплуатации. Они будут охватывать новые технологии переработки, которые являются оптимальными для композитных отходов. В частности, речь идёт о переработке стекловолокна и восстановлении связующего.

В июне 2021 года крупнейший в мире разработчик оффшорных ветряных электростанций Orsted заявила, что будет «повторно использовать, перерабатывать или восстанавливать» все лопатки турбин своих ветряных электростанций после их вывода из эксплуатации.

В компании отметили, что они «несут четкую ответственность за помощь в поиске решений проблемы утилизации лопастей» и заявили, что будут «временно хранить» списанные лопасти, если поиск решения по их переработке займет «больше времени, чем предполагалось».

Еще в апреле 2021 было объявлено, что сотрудничество между научными кругами и промышленностью будет сосредоточено на переработке композитов из стекловолокна, шаг, который в итоге может помочь сократить количество отходов, производимых лопастями ветряных турбин. Университет Стратклайда, расположенный в Глазго, Шотландия, сообщил, что подписал меморандум о сотрудничестве с Aker Offshore Wind и Aker Horizons.

Среди прочего трио будет работать вместе над расширением масштабов и коммерциализацией процесса, разработанного в лаборатории, который сосредоточен на переработке стеклопластиковых полимерных композитов, используемых в лопастях ветряных турбин.

По заявлению университета, они сфокусировались на «термическом восстановлении и последующей обработке стекловолокна» из лома стеклопластиковых полимерных композитов. И планируют достичь конечного результата - «стекловолокно почти чистого качества». Идея состоит в том, что, используя этот подход, композитные отходы могут быть повторно использованы.

«Это проблема не только для ветроэнергетики, но и для других отраслей, где используются стекловолоконные композиты», — заявил Лю Ян, глава группы Advanced Composites в Университете Стратклайда.

«Сохранение и повторное использование армирующих волокон имеет важное значение по мере того, как мы движемся к экономике замкнутого цикла», — добавил он.

В начале сентября 2021 компания Siemens Gamesa Renewable Energy заявила, что смогла разработать первые в мире перерабатываемые лопасти для ветрогенераторов RecyclableBlade. Пробную партию из шести 81-метровых лопастей уже произвели на заводе в Дании. Это важный прорыв в сфере зелёной энергетики, так как до недавнего времени лопасти были единственной частью ветровых турбин, которую нельзя было переработать.

Технология производства, разработанная Siemens Gamesa, отличается от стандартной. Для создания лопасти связующую смолу растворяют с помощью слабокислых растворов, а потом пропитывают ею стеклоткань, полимеры, деревянные и металлические части конструкции, превращая их в единое целое. Деталь, получившаяся в результате, устойчива к воздействиям окружающей среды и может много лет работать на прибрежных и морских ветряных турбинах.

В процессе утилизации же лопасть погружается в специальный раствор и распадается на первичные материалы, за исключением смолы, которая растворяется. Полученные при переработке материалы можно снова использовать в производстве изделий, что обеспечивает устойчивое производство, как сейчас принято говорить, и позволяет экономить ресурсы

В Siemens Gamesa отчитались о заключении трёх контрактов на поставку экологичных лопастей. Их установят на ветрогенераторах электростанции Kaskasi в Германии, а также на прибрежные генераторы немецкой WPD и французской EDF Renewables.