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專題報告

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回收商業化道阻且長 歐美聚焦可回收材料制造風電葉片

當風電場被拆除時,風電葉片可能會被扔進垃圾填埋場或作為水泥生產的填料,但更具創新性和可持續性的方案可能會將風電葉片回收后用于制造汽車零部件、滑雪板甚至淋浴盤的材料。


從美國田納西州到英國劍橋,初創企業都在研究如何利用熱量和納米顆粒來提高回收風力渦輪機葉片纖維的經濟性。然而,這些方案要成為可行的選擇,必須降低回收成本。


與此同時,回收企業將迎來機遇。目前,20世紀90年代安裝的第一批風力渦輪機不久將迎來25年使用壽命的期限。歐洲風能協會表示,到2025年,每年約有2.5萬噸風力渦輪機葉片將達到使用壽命。德國和西班牙是退役風電葉片最多的國家。


回收商業化道阻且長 歐美聚焦可回收材料制造風電葉片


即將到來的風電退役潮已經引起了Siemens Gamesa、維斯塔斯等制造商以及海上風電行業巨頭Orsted公司的關注。維斯塔斯的目標是到2040年推出零廢風力渦輪機,而Orsted公司則致力于葉片的可持續再利用或循環利用。如今,越來越多的國家在風電招標時要求提高可回收性。法國規定,從2022年7月起,風力渦輪機轉子質量的40%是可回收,且這一比例還將增加。


目前,約85%-90%的風力渦輪機可以通過現有的金屬加工工藝回收,但風電葉片的纖維復合材料仍然難以回收。將玻璃纖維粘合在一起的化學樹脂不能通過機械回收方式來提取,而在大多數情況下,熱回收在成本上是不可行的。


Siemens Gamesa可持續發展項目經理喬納斯·詹森表示,將玻璃纖維復合材料置于熱回收的高溫高壓下,“會影響材料的技術性能,并降低整體價值。”詹森說,我們的目標是“找到更經濟有效的方法——確保我們所回收的材料在新制品中迎來第二次生命”。


到目前為止,少量已退役風電葉片大多已經獲得了重生,要么出口到不太發達的經濟體,然后在那里重新安裝,要么被用于水泥生產。其他方式還包括垃圾填埋、焚燒或作為橋梁等其他構筑物重新使用。目前,只有德國、荷蘭、奧地利和芬蘭四個歐洲國家禁止填埋風電葉片。但歐盟委員會正面臨日益增加的壓力,要求其在2025年前出臺法令禁止填埋。


從長遠來看,用可回收材料制造風力渦輪機葉片,可能是一個更可持續的選擇。


現存風電葉片回收開發


總部位于美國田納西州的Carbon Rivers公司回收了包括風電葉片在內的廢舊復合材料,并利用熱解法以不連續的形式提取玻璃纖維。該工藝是在沒有氧氣的情況下,將回收材料加熱到非常高的溫度,從而將化合物熱分解。


在過去的兩年中,該公司已經從美國多個風電項目中回收了80噸風電葉片。該公司將回收后的第二代玻璃纖維,以相比原始玻纖更具競爭優勢的價格銷售,應用于汽車、船舶和消費品領域。


Carbon Rivers公司副總裁戴維·摩根表示,“我們的回收產品是不連續纖維,目前還無法回收連續纖維——但我們對此正在開展積極的研究。”該公司的項目獲得了美國能源部提供的125萬美元小企業創新研究資助,公司目標是在未來幾年內將處理規模擴大到每天200噸。


英國劍橋納米材料技術有限公司參與了歐盟資助的“地平線2020”項目,該項目旨在開發用于風力渦輪機葉片的新材料,并回收工業塑料。


Repair3D是“地平線2020”中的一個項目,該項目將納米粒子添加到來自風力渦輪機和飛機材料的纖維復合材料廢料中,以此制造增強的3D打印產品,如滑雪靴和汽車零部件。英國劍橋納米材料技術有限公司的研發團隊目前正在開發這種增強納米復合材料技術的原型,長期目標是與工業伙伴合作,測試這項技術并將其商業化。


FiberEUse是由歐盟資助的一個980萬歐元的研究項目,自2017年以來一直致力于為航空航天和風電領域等纖維增強復合材料開發循環經濟價值鏈。項目合作伙伴包括Siemens Gamesa、Head和Aernnova等公司。通過機械回收,風電葉片可以被粉碎成顆粒,用于制造滑雪板、家具和浴盆。


FiberEUse還研究了熱回收方式,將回收長纖維應用于汽車和建筑行業的產品中。該項目協調員馬塞洛·克萊丹表示,項目合作伙伴“已經開發出二氧化碳輔助熱解技術,它比傳統熱解技術更具經濟競爭力,可以回收纖維和樹脂的副產物,這些副產物可以進一步加工,獲得二次使用的樹脂”。然而,他強調,熱解“比機械回收昂貴得多”,因此,特別是對于玻璃纖維而言——由于原始玻璃纖維價值較低——這種方式還不具備經濟意義。


克萊丹說,機械回收處理材料的成本通常為每公斤產品0.12歐元,相比之下,FiberEUse的二氧化碳輔助熱解技術回收成本為每公斤1歐元,傳統熱解的成本為7-9歐元。


最終,其目標是用熱回收的產品替代至少20%的原始玻璃纖維或碳纖維,用于汽車行業的結構部件,但這仍存在一些技術挑戰和成本優化的需求。


有機構認為,目前唯一具有商業可行性的玻璃纖維回收方法是將其用作制造水泥的原料,這可以“將水泥的碳足跡減少16%”。燃燒塑料可以減少水泥生產中對煤或焦碳的需求,而將葉片粉碎后的顆??梢圆糠痔娲恍┰牧?。


可回收材料制造未來葉片


盡管現有風電葉片回收是最為緊迫的問題,但使用新型可回收材料制造葉片正在引起業界的興趣


Orsted公司高級副總裁雅克布·博斯表示:“我們需要開始尋找制造風電葉片的新的材料?!边@家丹麥公司正在與渦輪機制造商討論新材料,并將提供支持,以“從承力和天氣角度出發,考察葉片應該具有的承受性能”。


英國海上可再生能源技術創新和研究中心ORE Catapult正在探索使用熱塑性塑料和生物材料來制造風電葉片,如甘蔗、甜菜、木材或竹子中提取纖維,同時也在尋找“更可分解的環氧樹脂”,以便更容易從復合結構中進行提取。ORE Catapult應用研究主管表示宗·納克表示,在中國的河北和山東等地,一些陸上風場使用的就是由竹子纖維制成的風電葉片,而且已經運行了多年。


蘇格蘭國家制造研究所旗下的輕量化制造中心目前也在開展一個研究項目,致力于使用木漿和可回收塑料等可持續資源生產新的葉片材料。


許多機構也在研發新樹脂,這些樹脂可以在使用壽命結束時進行降解。加州大學伯克利分校和廣州華南理工大學已經對具有觸發降解性的熱固性樹脂進行了初步研究,而阿科瑪和阿迪亞等生產商在可化學回收生產不同形式塑料的樹脂開發方面更先進。首個使用Elium (阿科瑪開發的熱塑性樹脂)的風電葉片原型預計將于2021年10月生產。


通過熱固性環氧樹脂復合材料循環經濟項目,維斯塔斯已開發出一種新的環氧樹脂,由回收的原材料制成,可以在完全循環的過程中再次用于風力渦輪機葉片。


維斯塔斯公司先進結構和可持續性負責人艾倫·保爾森表示,“該項目的目標是在未來三年內開發出一種穩定的工業規模的樹脂合成材料?!痹摷夹g“在相對溫和的條件下使用溶解分解技術分解葉片,這意味著回收纖維仍能保持大部分強度。”保爾森說,相比之下,其他回收方法需要借助高溫,這會降低纖維的性能。


總部位于愛丁堡的ACT葉片公司開發出一種超輕型風力渦輪機葉片,與傳統葉片相比,這種葉片的長度增加了10%。該公司表示,該設計使用了較少的傳統復合材料,因為結構更小、更薄,因此產生的廢物更少,生產過程成本比通常降低了30%。ACT葉片公司也嘗試在一些部件中使用回收纖維,盡管成本限制使其無法在目前的設計中使用這種材料。該公司的原型葉片已于今年早些時候完成,葉片目前正在蘇格蘭國家可再生能源中心進行測試。這項技術的商業化預計將于2022年底實現。


此外,業內人士認為,風電行業將需要與更成熟的航空航天和汽車行業合作,以實現復合材料回收的規模,并降低成本。材料的生產、再利用和回收也可能發生重大變化。

本文由中國復合材料工業協會編譯,文章不用于商業目的,僅供行業人士交流。轉載請注明來自中國復合材料工業協會。


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