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回收商业化道阻且长 欧美聚焦可回收材料制造风电叶片

当风电场被拆除时,风电叶片可能会被扔进垃圾填埋场或作为水泥生产的填料,但更具创新性和可持续性的方案可能会将风电叶片回收后用于制造汽车零部件、滑雪板甚至淋浴盘的材料。


从美国田纳西州到英国剑桥,初创企业都在研究如何利用热量和纳米颗粒来提高回收风力涡轮机叶片纤维的经济性。然而,这些方案要成为可行的选择,必须降低回收成本。


与此同时,回收企业将迎来机遇。目前,20世纪90年代安装的第一批风力涡轮机不久将迎来25年使用寿命的期限。欧洲风能协会表示,到2025年,每年约有2.5万吨风力涡轮机叶片将达到使用寿命。德国和西班牙是退役风电叶片最多的国家。


回收商业化道阻且长 欧美聚焦可回收材料制造风电叶片


即将到来的风电退役潮已经引起了Siemens Gamesa、维斯塔斯等制造商以及海上风电行业巨头Orsted公司的关注。维斯塔斯的目标是到2040年推出零废风力涡轮机,而Orsted公司则致力于叶片的可持续再利用或循环利用。如今,越来越多的国家在风电招标时要求提高可回收性。法国规定,从2022年7月起,风力涡轮机转子质量的40%是可回收,且这一比例还将增加。


目前,约85%-90%的风力涡轮机可以通过现有的金属加工工艺回收,但风电叶片的纤维复合材料仍然难以回收。将玻璃纤维粘合在一起的化学树脂不能通过机械回收方式来提取,而在大多数情况下,热回收在成本上是不可行的。


Siemens Gamesa可持续发展项目经理乔纳斯·詹森表示,将玻璃纤维复合材料置于热回收的高温高压下,“会影响材料的技术性能,并降低整体价值。”詹森说,我们的目标是“找到更经济有效的方法——确保我们所回收的材料在新制品中迎来第二次生命”。


到目前为止,少量已退役风电叶片大多已经获得了重生,要么出口到不太发达的经济体,然后在那里重新安装,要么被用于水泥生产。其他方式还包括垃圾填埋、焚烧或作为桥梁等其他构筑物重新使用。目前,只有德国、荷兰、奥地利和芬兰四个欧洲国家禁止填埋风电叶片。但欧盟委员会正面临日益增加的压力,要求其在2025年前出台法令禁止填埋。


从长远来看,用可回收材料制造风力涡轮机叶片,可能是一个更可持续的选择。


现存风电叶片回收开发


总部位于美国田纳西州的Carbon Rivers公司回收了包括风电叶片在内的废旧复合材料,并利用热解法以不连续的形式提取玻璃纤维。该工艺是在没有氧气的情况下,将回收材料加热到非常高的温度,从而将化合物热分解。


在过去的两年中,该公司已经从美国多个风电项目中回收了80吨风电叶片。该公司将回收后的第二代玻璃纤维,以相比原始玻纤更具竞争优势的价格销售,应用于汽车、船舶和消费品领域。


Carbon Rivers公司副总裁戴维·摩根表示,“我们的回收产品是不连续纤维,目前还无法回收连续纤维——但我们对此正在开展积极的研究。”该公司的项目获得了美国能源部提供的125万美元小企业创新研究资助,公司目标是在未来几年内将处理规模扩大到每天200吨。


英国剑桥纳米材料技术有限公司参与了欧盟资助的“地平线2020”项目,该项目旨在开发用于风力涡轮机叶片的新材料,并回收工业塑料。


Repair3D是“地平线2020”中的一个项目,该项目将纳米粒子添加到来自风力涡轮机和飞机材料的纤维复合材料废料中,以此制造增强的3D打印产品,如滑雪靴和汽车零部件。英国剑桥纳米材料技术有限公司的研发团队目前正在开发这种增强纳米复合材料技术的原型,长期目标是与工业伙伴合作,测试这项技术并将其商业化。


FiberEUse是由欧盟资助的一个980万欧元的研究项目,自2017年以来一直致力于为航空航天和风电领域等纤维增强复合材料开发循环经济价值链。项目合作伙伴包括Siemens Gamesa、Head和Aernnova等公司。通过机械回收,风电叶片可以被粉碎成颗粒,用于制造滑雪板、家具和浴盆。


FiberEUse还研究了热回收方式,将回收长纤维应用于汽车和建筑行业的产品中。该项目协调员马塞洛·克莱丹表示,项目合作伙伴“已经开发出二氧化碳辅助热解技术,它比传统热解技术更具经济竞争力,可以回收纤维和树脂的副产物,这些副产物可以进一步加工,获得二次使用的树脂”。然而,他强调,热解“比机械回收昂贵得多”,因此,特别是对于玻璃纤维而言——由于原始玻璃纤维价值较低——这种方式还不具备经济意义。


克莱丹说,机械回收处理材料的成本通常为每公斤产品0.12欧元,相比之下,FiberEUse的二氧化碳辅助热解技术回收成本为每公斤1欧元,传统热解的成本为7-9欧元。


最终,其目标是用热回收的产品替代至少20%的原始玻璃纤维或碳纤维,用于汽车行业的结构部件,但这仍存在一些技术挑战和成本优化的需求。


有机构认为,目前唯一具有商业可行性的玻璃纤维回收方法是将其用作制造水泥的原料,这可以“将水泥的碳足迹减少16%”。燃烧塑料可以减少水泥生产中对煤或焦碳的需求,而将叶片粉碎后的颗粒可以部分替代一些原材料。


可回收材料制造未来叶片


尽管现有风电叶片回收是最为紧迫的问题,但使用新型可回收材料制造叶片正在引起业界的兴趣


Orsted公司高级副总裁雅克布·博斯表示:“我们需要开始寻找制造风电叶片的新的材料。”这家丹麦公司正在与涡轮机制造商讨论新材料,并将提供支持,以“从承力和天气角度出发,考察叶片应该具有的承受性能”。


英国海上可再生能源技术创新和研究中心ORE Catapult正在探索使用热塑性塑料和生物材料来制造风电叶片,如甘蔗、甜菜、木材或竹子中提取纤维,同时也在寻找“更可分解的环氧树脂”,以便更容易从复合结构中进行提取。ORE Catapult应用研究主管表示宗·纳克表示,在中国的河北和山东等地,一些陆上风场使用的就是由竹子纤维制成的风电叶片,而且已经运行了多年。


苏格兰国家制造研究所旗下的轻量化制造中心目前也在开展一个研究项目,致力于使用木浆和可回收塑料等可持续资源生产新的叶片材料。


许多机构也在研发新树脂,这些树脂可以在使用寿命结束时进行降解。加州大学伯克利分校和广州华南理工大学已经对具有触发降解性的热固性树脂进行了初步研究,而阿科玛和阿迪亚等生产商在可化学回收生产不同形式塑料的树脂开发方面更先进。首个使用Elium (阿科玛开发的热塑性树脂)的风电叶片原型预计将于2021年10月生产。


通过热固性环氧树脂复合材料循环经济项目,维斯塔斯已开发出一种新的环氧树脂,由回收的原材料制成,可以在完全循环的过程中再次用于风力涡轮机叶片。


维斯塔斯公司先进结构和可持续性负责人艾伦·保尔森表示,“该项目的目标是在未来三年内开发出一种稳定的工业规模的树脂合成材料。”该技术“在相对温和的条件下使用溶解分解技术分解叶片,这意味着回收纤维仍能保持大部分强度。”保尔森说,相比之下,其他回收方法需要借助高温,这会降低纤维的性能。


总部位于爱丁堡的ACT叶片公司开发出一种超轻型风力涡轮机叶片,与传统叶片相比,这种叶片的长度增加了10%。该公司表示,该设计使用了较少的传统复合材料,因为结构更小、更薄,因此产生的废物更少,生产过程成本比通常降低了30%。ACT叶片公司也尝试在一些部件中使用回收纤维,尽管成本限制使其无法在目前的设计中使用这种材料。该公司的原型叶片已于今年早些时候完成,叶片目前正在苏格兰国家可再生能源中心进行测试。这项技术的商业化预计将于2022年底实现。


此外,业内人士认为,风电行业将需要与更成熟的航空航天和汽车行业合作,以实现复合材料回收的规模,并降低成本。材料的生产、再利用和回收也可能发生重大变化。

本文由中国复合材料工业协会编译,文章不用于商业目的,仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。


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