Описание проблемы
Сегодня от 85 до 90% общей массы ветряных турбин может быть переработано.
Однако лопасти ветрогенератора — это отдельная проблема.
Изготовленные из сложных композитных материалов, обеспечивающих легкие, прочные и долговечные изделия, они требуют особых процессов переработки.
Лопасть — самая большая деталь ветряка и делается, как правило, из композитных материалов.
Сейчас в Европе, вплоть до 2022 года, будут ежегодно демонтировать свыше 3800, а в США около 8000 лопастей.
Обширный демонтаж потребует создания новых логистических схем и технологических ухищрений для того, чтобы полностью переработать устаревший ветровой генератор.
Но вторичное использование композита, из которого выполнены ветровые лопасти, невыгодно с точки зрения расходов.
Длина одной ветряной лопасти в среднем составляет около 50 метров, она весит семь тонн и составляет 10% ветряной турбины, которые трудно утилизировать.
Эти 10% вызвали споры во всем мире относительно устойчивости этой возобновляемой энергии.
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 веществ 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. Кстати, опыт применения устаревших частей ветрогенератора уже есть.
Композитный материал крайне устойчив не только к воздействиям окружающей среды — без утилизации он никуда не денется ещё тысячи лет.
Только четыре страны Европы запретили «кладбища лопастей»: Германия, Австрия, Нидерланды и Финляндия.
Голос европейской ветроэнергетики призвал к 2025 году ввести общеевропейский запрет на такие свалки.
Около 80% выбросов углекислого газа в атмосферу за весь срок службы ВЭУ приходится на сырьевые материалы и компоненты.
Лопасти – 20 %
Башня – 25 %
Фундамент – 13 %
Гондола – 13 %
Редуктор и вторичный вал – 10 %
Ступица (хаб) – 5 %
Ремонт и замена оборудования – 5 %
Кабельная линия на площадке – 8 %
Вывод из эксплуатации – 1 %
Монтаж – 1 %
Охлаждающая система на верхней крышке корпуса гондолы – 1 %
Трансформатор на площадке – 1 %
Источник: Vestas, Bloomberg Intelligence. Расчёты основаны на модели ВЭУ «V150-4.2 MW».
Последние обзоры
Устройство генератора
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.
Ветрогенераторы можно разделить на три категории: промышленные, коммерческие и бытовые (для частного использования).
Промышленная ветровая установка, состоит из следующих деталей:
1. Фундамент
2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
3. Башня
4. Лестница
5. Поворотный механизм
6. Гондола
7. Электрический генератор
8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
9. Тормозная система
10. Трансмиссия
11. Лопасти (как правило, три, поскольку роторы с двумя лопастями подвергаются большим нагрузкам в момент, когда пара лопастей вертикальна, а больше трёх лопастей создают избыточное сопротивление воздуха)
12. Система изменения угла атаки лопасти
13. Обтекатель
• Система пожаротушения
• Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора
• Система молниезащиты
• Привод питча
Маломощная модель ветряного генератора
Состоит из следующих деталей:
1. Небольшой электродвигатель постоянного тока (3-12 В) (используемый как генератор)
2. Кремниевый выпрямительный диод
3. Электролитический конденсатор (1000 мкФ 6 В)
Крупнейшие производители
Ветряк состоит на 84% из стали, на 7% из стекла и композитных материалов, на 5% из полимеров. 4% - прочие составляющие.
Как выходят из положения страны Европы
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.
Специалисты работают над альтернативными технологиями переработки композитных лопастей, такими как: механическая рециркуляция, сольволиз и пиролиз.
Успешные исследования в этих направлениях дадут возможность создавать безотходные ветровые турбины. Так, компания Vestas обещает наладить безотходное производство ветрогенераторов к 2040 году.
Не осталась в стороне химическая и композитная промышленность — совместно с ветроэнергетическими корпорациями создана межотраслевая площадка, основой которой является ветроэнергетическое объединение WindEurope, Европейский совет химической промышленности Cefic и ассоциация EUCIA, производящая композитные материалы.
Совместными усилиями корпорации ведут поиск новых способов утилизации и переработки лопастей ветряков.
Одним из важнейших направлений в сфере промышленной утилизации ветрогенераторов компании считают достаточное финансирование научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Значение этого направления сложно переоценить, так как оно позволит достичь технологического превосходства на этапе перехода к устойчивому электроэнергетическому комплексу.
Тем временем, Соединённые Штаты Америки тоже не стоят на месте — претворяются в жизнь несколько стартапов по вторичной переработке ветротурбинных лопастей, одним из которых является Global Fiberglass Solution.
Участники объединения, функционирующего с 2009 года, занимаются изучением вопросов применения композитных материалов в различных отраслях промышленности. К примеру, на техасском заводе уже успешно используют метод разрушения лопастей с последующим прессованием их в плиты с древесноволокнистой структурой и пеллеты для строительной отрасли.
Другие проекты предполагают использование композитов для производства ограждений и даже железнодорожных шпал.
Ещё одно перспективное направление — создание гранулированного сырья из старых лопастей, которое в дальнейшем пойдёт на создание новых
Датская компания Vestas сообщила, что группа организаций с её участием разработала новую технологию, обеспечивающую переработку и повторное использование термореактивных композитов — материалов, используемых для изготовления лопастей ветряных турбин.
Новая технология представляет собой последний технологический шаг на пути к полностью безотходной цепочке создания стоимости в отрасли, говорится в заявлении.
Для внедрения этой новой технологии и продвижения экономики замкнутого цикла в ветроэнергетике, была создана новая инициатива под названием CETEC (Circular Economy for Thermosets Epoxy Composites – «Экономика замкнутого цикла для термореактивных эпоксидных композитов»). В течение трех лет CETEC намерена представить готовое к промышленному внедрению решение, основанное на коммерциализации новой технологии замкнутого цикла.
Частично финансируемый Инновационным фондом Дании (IFD), CETEC возглавляется Vestas. В нем также участвуют Olin, ведущий мировой производитель эпоксидной смолы, Датский технологический институт (DTI) и Орхусский университет.
Новая технология предусматривает процесс переработки, состоящий из двух этапов.
Во-первых, термореактивные композиты разбираются на волокно и эпоксидную смолу.
Во-вторых, благодаря новому химическому процессу эпоксидная смола дополнительно разделяется на основные компоненты, аналогичные исходным материалам.
Эти материалы затем могут быть повторно использованы при производстве новых лопастей ветроустановки.
В прессе то и дело поднимаются вопросы об отходах возобновляемой энергетики, в частности, ветроэнергетики. Зачастую в этих публикациях своеобразно расставляются акценты, а именно, преувеличивается масштаб проблемы отходов и сложность управления ими.
Основные материалы, используемые в ветрогенераторах (по массе и объёму) — это сталь, бетон и композиты, из которых изготавливают лопасти. Все эти материалы утилизируются стандартно, в соответствии с правилами обращения с отходами, действующими на соответствующих рынках.
Переработка композитных материалов с выделением исходных компонентов для повторного использования является сложной научно-технологической задачей, которая на сегодняшний день окончательно не решена. Однако ветроэнергетика – это далеко не самый крупный потребитель композитов.
Скажем, автомобильная промышленность или строительная отрасль потребляют гораздо большие объёмы этих материалов. К тому же утилизировать крупноформатные изделия (лопасти ветрогенераторов) проще, чем извлекать десятки миллионов мелких деталей из корпусов автомобилей или строительного мусора.
Основной сегодняшней технологией утилизации композитных отходов является их использование в производстве цемента [в качестве энергетического сырья и добавки]. Это возможный, но не самый устойчивый путь.
CETEC стремится закрыть пробел в переработке и сделать значительный шаг вперед в устранении отходов в ветроэнергетической отрасли.
Опыт Германии и Нидерландов
Вывоз композитного материала лопастей на свалку в Германии запрещен, а при обычном сжигании выделяются токсины, обязательная фильтрация которых стоит немалых денег. К тому же плавящиеся стекловолокна засоряют перерабатывающие установки.
Разумным вариантом не является и так называемый «даунсайклинг» (Downcycling), при котором измельченные волокниты используются для изготовления низкокачественных продуктов, к примеру, парковых скамеек или элементов одежды.
Новое решение, успешное тестирование которого состоялось в Легердорфе (Германия), было предложено швейцарским производителем цемента Holcim.
Измельченные крылья служат в качестве топлива при производстве цемента.
Применяемая температура 2000 градусов Цельсия позволяет полностью переработать материал. К тому же кусочки стекловолокна содержат кремний и таким образом частично заменяют песок, без которого ранее было не обойтись.
Компания GE Renewable Energy объявила о подписании меморандума о взаимопонимании с намерением заключения многолетнего соглашения с компанией neowa на предмет демонтажа выведенных из эксплуатации наземных ветряных турбин в Германии и переработке различных компонентов, включая лопасти, для повторного использования. Это будет способствовать безотходному жизненному циклу объектов ветроэнергетики.
Немецкая neowa GmbH занимается переработкой отходов с упором на ветроэнергетику.
Компании также совместно изучат возможность распространения «уникальной технологии переработки лопастей» neowa на другие страны Европы.
В рамках соглашения neowa будет предоставлять GE Renewable Energy и ее клиентам услуги, включая демонтаж и вывоз выведенных из эксплуатации турбин, а также переработку различных компонентов. neowa перерабатывает до 90% общей массы ветроустановки.
Кроме того, neowa будет использовать свой запатентованный процесс и инструменты для измельчения лопастей ветряных турбин, включая стекловолокно, в гранулы различного размера, которые будут использоваться в качестве сырья при производстве цемента.
Компания имеет успешную историю поставок композитных материалов для цементной промышленности.
Цемент, полученный в результате процесса neowa, в конечном итоге может быть использован для строительства фундаментов и башен для новых турбин. При этом выбросы CO2 снижаются примерно на 20% по сравнению с традиционными процессами.
По соглашению GE с neowa почти 100% материала лопасти по массе будет переработано и готово к повторному использованию.
Также в Германии созданы первые в мире перерабатываемые лопасти для ветрогенераторов.
Siemens Gamesa — один из крупнейших в мире производителей ветрогенераторов.
В Siemens Gamesa создали перерабатываемые лопасти, которые сравнительно легко разлагаются на составляющие материалы, которые можно использовать повторно.
Технология предполагает растворение скрепляющей смолы в слабокислых растворах.
При изготовлении лопасти смола превращает стеклоткань и другие полимеры, а также деревянные и металлические детали конструкции лопасти в монолитное изделие.
Такая лопасть устойчива к солёной воде, что гарантирует многолетнюю работу ветрогенераторов в прибрежных морских водах.
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 товаров, что обеспечивает устойчивое производство, как сейчас принято говорить, и позволяет экономить ресурсы.
По новой технологии Siemens Gamesa изготовила 6 первых 81-метровых лопастей RecyclableBlade и заключила три контракта на их использование в проектах ВЭУ.
Перерабатываемые лопасти будут установлены на ветрогенераторы электростанции Kaskasi в Германии и на прибрежные генераторы проектов французской EDF Renewables и немецкой WPD.
В Нидерландах работникам архитектурного бюро Superuse Studios удалось измельчить пять списанных лопастей ВЭУ и использовать их детали для создания горок на детской площадке в городе Роттердам.
Опыты других стран
Шотландские ученые разработали систему GRP Recycling, которая может превратить композитные отходы в армирующее волокно, пригодное для повторного использования для различных применений композитных материалов.
В Ирландии старые ветровые турбины планируют использовать для замены стали в строительных проектах, таких как пешеходные мосты. Планируется использование лопасти списанных турбин Nordex N29 длиной 14 метров. Для моста, пролетом 5 м, часть лопасти отрезается и используется в качестве основного конструктивного элемента, а также является функциональными в конструкции.
В Великобритании начали разрабатывать пилотный проект, суть которого — использование лопасти ветровых турбин для армирования бетона туннелей высокоскоростных магистралей. Предполагается, что применение композитных материалов (стекловолокно) при армировании бетона позволит сократить выбросы вредных веществ в атмосферу. Бетон будет армироваться прутьями, вырезанными из лопастей. При этом будет произведена только резка полимера, а не его сжигание или переплавка. При таком процессе выбросы углерода в атмосферу сократятся на 90%.
Перспективы сектора
Согласно прогнозам МЭА, к 2040 году оффшорная ветроэнергетика превратится в отрасль стоимостью 1 трлн долларов.
Ряд экспертов высказывает мнение, что уже через десять лет 20% всей мировой электроэнергии будет вырабатываться именно благодаря ветроэлетрическим установкам.
Это приведет к созданию 2,4 миллионов новых рабочих мест и снижению выбросов CO2 более чем на 3,3 миллиарда тонн.
Варианты реализации проекта в Казахстане
Сценарий 1 (сложный путь)
Импорт разобранных лопастей в Казахстан с созданием заводов по переработке на одном из передовых технологию для вторичного использования сырья.
Потенциальные партнеры: Global Fiberglass Solution, neowa GmbH, Siemens Gamesa, Superuse Studios
К примеру преобразование материала лопастей для различных областей для применения в строительстве, используя метод разрушения лопастей и прессования их в пеллеты и древесноволокнистые плиты для строительства.
Переработка лопастей в ограждения или железнодорожные шпалы.
Кейс испанского проекта LIFE REFIBRE использует технологию переработки лопастей в добавку, придающую асфальтовому покрытию дополнительную прочность. По заверениям LIFE REFIBRE, такое дорожное покрытие может прослужить дополнительно до пяти лет.
Сценарий 2 (средней сложности)
Импорт лопастей в Казахстан с дальнейшим вторичным использованием для развития сетей ВЭУ.
Сейчас предприниматели во всем мире также изучают альтернативные варианты с дроблением композитного материала и превращения его в гранулированное сырье для производства новых лопастей.
Однако эти технологии (Vestas) еще проходят процесс апробации и для практического применения пока не доступны.
Сценарий 3 (простой пусть, денежный)
Превращение Казахстана в кладбище лопастей ветряков с целью зарабатывания денег.
Импорт разобранных лопастей в Казахстан, в частности из Европы с захоронением на одном из полигонов в стране, т.к. с 2025 года скорее всего по всей Европе будет введен запрет на захоронение лопастей.
СТАТЬИ ПО ТЕМЕ