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如何以绿色可持续的方式处理退役叶片?

2021年10月19日 星期二 来源:《风能》杂志 我来说两句 保存为书签

环球聚氨酯网讯:近年来,我国海上风电发展成绩斐然,国家统计局的数据显示,截至2021年6月底,我国海上风电累计装机容量达1113.4万千瓦。有机构和媒体预测,2021年中国海上风电累计装机容量大概率可超过英国,位居全球第一。然而2022年,我国海上风电的中央财政补贴将全部取消,给“十四五”时期的产业发展带来一定不确定性。

在德国的一个山坡上,帕德伯恩风电场(Paderborn wind farm)的叶片正安静地旋转着,狂风和烈日在它们身上留下了岁月的痕迹。这些叶片已经坚守了24年,再过一年,它们的寿命周期行将结束。不对,再有一年,它们或许就会迎来全新的开始。

但究竟是怎样的开始,业界还在探索。

于20世纪90年代安装的第一批风电机组即将退役。据欧洲风能协会(WindEurope)测算,到2025年,欧洲每年约有2.5万吨叶片等待回收,这相当于2000辆双层巴士的重量。到2023年,全球范围内需要回收的风电机组叶片预计会达到4万~6万吨。除看重市场利润,以可持续、可循环的方式实现一个绿色的世界也是众多企业加大投入开发退役风电机组叶片回收技术的动力。

退役叶片处理方式

叶片的构造极为复杂,主要由玻璃纤维、碳纤维等增强纤维构成(占叶片的60%~70%),这些纤维被环氧树脂和聚氨酯(PUR)等合成树脂粘合。由于叶片的材料是不连续的粘合纤维,现有技术难以用一个连续、循环的模式对其进行回收。

行业在呼吁各国主管部门为叶片回收制定专门的废弃物法规,以区别于一次性塑料、微塑料等废弃物,确保其拥有单独的分类,并能逐步形成单一清洁复合材料的废物处理产业链,从而提高处理效率。

不可否认的是,在现阶段,大部分退役叶片的归宿是垃圾填埋场。这是最简单粗暴的处理方式,没有任何材料能被回收,还会造成大量污染。这不符合叶片被制造的初衷?创造绿色、可持续发展的未来,没有人愿意选择这种方式去结束叶片的一生。德国、奥地利、荷兰、芬兰等国家,更是禁止填埋或焚化复合材料。

艺术家和设计师可以结合创意性加工让叶片进入游乐场,成为滑梯和轨道,或者进入公园为人们提供休憩的场所。不过,这种幸福的“养老模式”仅存在于少数示范项目,不可能成为未来大规模叶片退役问题的解决方案。

很多企业则尝试通过水泥窑工艺、机械研磨、流化床热解、溶剂分解或高压脉冲破碎等技术或技术组合将叶片回收处理为其他材料。随后,新材料可以用于制造汽车零部件、滑雪板,甚至是浴缸。

然而,只有成本降到足够低,某种回收模式才可以在业内得到推广。否则,一切只能是空谈。

总部位于美国田纳西州的企业Carbon Rivers 回收包括风电机组叶片在内的所有废旧复合材料,利用热解法以不连续的形式提取其中的玻璃纤维。该公司的初始项目,获得了美国能源部提供的125万美元(约合人民币809.6万元)的小企业创新研究(Small Business Innovation Research)资助。这家企业的目标是,在未来几年内建成可日处理200吨回收材料的设施,并且实现商业化。

对于退役叶片,除了提取可利用的材料这种方式,还能够通过添加新材料使其拥有新属性,改造后的叶片更容易被回收。

英国剑桥纳米材料技术有限公司(Cambridge Nanomaterials Technology Ltd.)参与了欧盟资助的“地平线 2020”( Horizon2020)项目。该项目旨在研发用于叶片的新材料,并回收工业废料。这家企业负责其中的一个分支项目?Repair3D,将纳米颗粒添加到叶片或飞机的复合材料中,以此制造更加强韧的3D打印产品,如滑雪靴和汽车零部件。该公司董事Bojan O. Boskovic 表示,“纳米颗粒的优势包括重量轻、具备导电性,还可以形成表面保护等”,因此,将它们添加到材料中,提升了退役叶片再利用的价值。

另一个由欧盟资助980万欧元(约合人民币7484.6万元)的研究项目是FiberEUse,自2017年以来一直在为航空航天和风电等行业大量应用的复合材料开发可循环回收利用产业链。项目合作伙伴包括西门子歌美飒、Head和AERnnova等企业。

该项目旨在通过机械回收技术,将叶片粉碎和分离得到颗粒,用于嵌入滑雪板、家具和淋浴盘。它还研究热回收,将长纤维嵌入汽车和建筑行业的产品中。项目协调员Marcello Colledani表示:“项目合作伙伴开发出的二氧化碳辅助热解技术,比传统热解技术更具经济竞争力,因为它可以收集纤维和树脂的副产物,经过进一步加工能获得可二次利用的树脂。”他强调,热解技术的成本比机械回收高很多,因此,若是仅仅用于回收价值较低的玻璃纤维材料,并不具备经济价值。

Colledani 分析了各种处理方式的成本。机械回收处理材料的成本通常为0.12欧元/千克,传统热解的成本为7~9欧元/千克,采用二氧化碳辅助热解技术处理的成本约为1欧元/千克。FiberEUse项目的目标是利用新技术处理至少20%的玻璃纤维和碳纤维,分离出来的材料用于制造汽车的结构部件,但在提高技术成熟度和降低成本方面还有很长的路要走。

按照彭博新能源财经(BNEF)的说法,目前唯一具有经济可行性的方法是将叶片内的玻璃纤维回收用于制造水泥,这可以将水泥行业的碳足迹减少16%以上。

Veolia公司回收叶片造水泥

选用新型叶片材料

也有企业和机构将目光锁定在叶片的研发环节,希望通过应用新材料降低叶片回收的难度。

英国海上可再生能源技术创新和研究中心(ORE Catapult)正在研究用于新型叶片的热塑性塑料和生物材料。来自生物的纤维,如甘蔗、甜菜、木材或竹子,都可能成为制造叶片的材料。据悉,在中国河北省的张北地区和山东省的河口地区,有风电场使用由竹子纤维制成的陆上风电机组叶片,已经运行多年。

维斯塔斯依托热固性环氧树脂复合材料循环经济项目(Circular Economy for Thermosets Epoxy Composites),开发了一种新型环氧树脂, 由可回收的原材料制成, 能够在回收后再次用于风电叶片的制造。“我们的目标是在未来三年内开发出一种可以规模化使用的树脂合成材料。”该公司的项目负责人Allan Korsgaard Poulsen 表示,“这项技术在相对温和的条件下使用溶剂分解技术(solvolysis)分解叶片,这意味着纤维能最大限度地保留原始的强度。”

位于苏格兰国家制造研究所的轻量级制造中心(Lightweight Manufacturing Centre)也在开展一个研究项目,专注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。

加利福尼亚州大学伯克利分校(University of Berkeley)与中国的华南理工大学正在研究寿命周期结束后可降解的新型树脂材料,已经对具有触发降解性的热固性树脂展开了初步研究。Arkema和Aditya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是领先一步,首个使用Elium(Arkema开发的热塑性树脂)的叶片预计将于2021年10月投入生产。

总部位于爱丁堡的ACTBlade 公司开发出一种超轻型风电机组叶片,与传统叶片相比,新型叶片的长度增加了10%。该公司的项目负责人表示,这项设计使用了较少的传统复合材料,由于结构更小、更薄,产生的废料更少,生产成本比传统方式低30%左右。目前,英国海上可再生能源技术创新和研究中心正在对新型叶片开展测试,预计可在2022年年底实现商业化生产。

 
 
 

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