K problematice recyklace lopatek větrných turbín – RenEn
Dnes lze recyklovat 85 až 90 % celkové hmoty větrných turbín. Samostatnou záležitostí jsou však lopatky větrných turbín. Jsou vyrobeny ze složitých kompozitních materiálů pro výrobu lehkých, pevných a odolných produktů, které vyžadují speciální procesy zpracování.
Navzdory technologickým překážkám průmysl větrné energie tvrdě pracuje na efektivní likvidaci kompozitních lopatek a někteří z jeho předních hráčů se zavázali k provozům s nulovým odpadem. Například společnost Vestas se zavázala k nulovému odpadu u svých vozidel do roku 2040.
Evropská asociace pro větrnou energii WindEurope, Evropská rada chemického průmyslu (Cefic) a Evropská asociace kompozitního průmyslu (EuCIA) představily svá doporučení pro recyklaci lopatek větrných turbín v nové zprávě „Urychlení kruhovitosti lopatek větrných turbín“.
Generální ředitel WindEurope Giles Dixon řekl: „První generace větrných turbín začíná odcházet do důchodu. Mnohé z nich budou nahrazeny moderními, účinnějšími generátory. Odhadujeme, že do roku 2023 bude v Evropě vyřazeno 14 000 lopatek větrných turbín (přibližně 40–60 tisíc tun kompozitního odpadu). Recyklace těchto starých čepelí je pro nás nejvyšší prioritou, protože jsme oddáni zásadám oběhového hospodářství. Naše spolupráce s Cefic a EuCIA je klíčem k rozšíření nezbytných zpracovatelských technologií a hodnotových řetězců.“
„Jsme odhodláni podporovat průmysl kompozitů v jeho hledání udržitelných recyklačních technologií,“ dodává Roberto Frassain, prezident EuCIA. „Naše spolupráce s WindEurope a Cefic je skvělým příkladem toho, jak můžeme pokročit ve vytváření řešení, která jsou udržitelná a ekonomicky životaschopná.“
Hlavní zjištění zprávy:
Existují různé technologie pro recyklaci lopatek větrných turbín, ale ne všechna řešení jsou dosud dostupná v průmyslovém měřítku a ekonomicky konkurenceschopná.
Hlavní technologií recyklace kompozitních odpadů je dnes jejich využití při výrobě cementu [jako energetické suroviny a přísady]. WindEurope, Cefic a EuCIA silně podporují zvýšení a zlepšení recyklace kompozitního odpadu prostřednictvím rozvoje alternativních technologií. To vyžaduje zvýšené financování výzkumu a inovací. [Další zmíněné technologie zahrnují mechanickou recyklaci, solvolýzu, pyrolýzu, vysokonapěťové elektrické pulzní drcení a jejich kombinace].
Současně je třeba rozšířit stávající metody recyklace, jako je použití kompozitů při výrobě cementu, aby se vyrovnaly s rostoucími toky odpadů.
Nejlepší strategií pro lopatky větrných turbín je strategie životního cyklu, která bere v úvahu všechny fáze životního cyklu, včetně vývoje, testování, údržby, renovace a vhodné technologie recyklace, aby bylo zajištěno, že se z materiálu během jeho životnosti získá maximální hodnota.
A konečně recyklace kompozitů je mezioborový problém. Větrný průmysl produkuje mnohem méně kompozitního odpadu než jiná odvětví. EuCIA odhaduje, že větrná energie bude do roku 2025 generovat 66 000 tun termosetového kompozitního odpadu. To je pouze 10 % z celkového odhadovaného odpadu z termosetových kompozitů (a méně než 5 % z celkového množství kompozitního odpadu, včetně termosetů a termoplastických materiálů). Mezi další sektory, které vytvářejí kompozitní odpad, patří stavebnictví a nemovitosti, elektro a elektronika, doprava, lodní doprava, letectví, spotřební zboží a nádrže a potrubí. K vývoji nákladově efektivních řešení a silných evropských hodnotových řetězců je proto nutné aktivní zapojení všech odvětví a subjektů využívajících kompozitní materiály.
Vážení čtenáři!
V těchto těžkých časech epidemie Covid-19 a ekonomické krize pokračujeme ve vydávání odborných zpráv a nezávislých energetických analýz.
Reklamní trh se dnes prakticky zastavil a na vyžití jsou potřeba finanční prostředky. Proto, milí čtenáři, pomozte s čímkoli, přispějte podle svých možností:
Karta Sberbank: 4276 3801 2452 1241
M.Video-Eldorado Group věnuje pozornost tématu udržitelného rozvoje (ESG). O tom, jak se recykluje elektronika, si můžete přečíst v našem nedávném příspěvku pro Habr. O to zajímavější bylo studium problematiky další recyklace zařízení na zelenou energii v zahraničí.
Udělejme svět čistším
Obnovitelné zdroje energie (OZE) jsou vnímány jako efektivní řešení světových problémů spojených se změnou klimatu. Vytvoření masivní infrastruktury pro solární a větrnou energii a zavedení elektrických vozidel umožní lidstvu rozvoj bez nutnosti spalovat fosilní paliva, která znečišťují životní prostředí. Přestože tyto technologie existují již několik desítek let, neexistuje žádný vypracovaný plán využití a likvidace, aby tyto technologie samy neničily životní prostředí.
Odborníci předpovídají, že stovky tisíc tun starých lopatek větrných turbín, baterií elektrických vozidel a solárních modulů budou muset být v příštím desetiletí zlikvidovány nebo recyklovány a do roku 2050 to budou miliony tun.
Nemusíte být futuristi, abyste si představili krajinu s řadami točících se větrných turbín, poli třpytivých solárních panelů a plynule běžících tichých elektromobilů. Tato utopická vize je skutečně na dosah.
Pokud však materiály, ze kterých jsou tyto technologie vyrobeny, nebudou obnovitelné, budoucnost čisté energie bude poškozena hřbitovy starých lopatek turbín, rozpadlých solárních panelů a baterií korodujících půdu. V současné době je navrženo mnoho iniciativ pro recyklaci tohoto nového typu odpadu. Ale ve většině případů jsou taková řešení přinejlepším ve fázi vývoje.
Potenciální množství odpadu zelené energie je obrovské. Bloomberg New Energy Finance odhaduje, že do roku 2025 budou použité baterie získané z elektrických vozidel vážit 600 000 tun. Podle předpovědí Mezinárodní agentury pro obnovitelnou energii (IRENA) se do té doby nashromáždí stejný počet starých solárních panelů. IRENA očekává, že množství odpadních solárních panelů dosáhne do roku 2050 78 milionů tun. Evropa by mohla v příštích dvou desetiletích nashromáždit až 300 000 tun vyřazených lopatek větrných turbín ročně, říká obchodní sdružení WindEurope.
Kvůli rostoucí poptávce po obnovitelné energii se výrobci již potýkají s prudkými nárůsty nákladů a omezením dodávek surovin, jako je kobalt a lithium. Vytvoření kompozitních částí turbíny, vysoce čistého fotovoltaického křemíku a vysoce strukturovaných katod baterií navíc vyžaduje mnoho lidského úsilí a vynalézavosti. Tyto odborně zpracované materiály si zaslouží víc než jen jednosměrnou vstupenku na skládku.
Získávání materiálů z vyřazených zařízení však stále není praktické. To je příliš drahé a výsledek není ospravedlnitelný. Díly zařízení jsou vyráběny smícháním hodnotných materiálů s méně hodnotnými tak, aby se nerozpadly ani při extrémním zatížení nebo podmínkách prostředí.
Producenti a zpracovatelé odpadů pracují na způsobech, jak efektivně nakládat s odpady z obnovitelných zdrojů energie. Těchto zařízení však dosud nedosloužilo tolik, aby ospravedlnily investice do recyklačních zařízení. Uvidí se, zda se ziskový průmysl objeví včas, než se „čistá energie“ přidá k neustále rostoucí hromadě odpadu planety.
Vítr
Délka jedné lopatky moderní větrné turbíny dosahuje 90 metrů a stále se prodlužuje. Společnosti se skutečně chlubí velikostí svých lopatek turbíny, protože delší dosah obvykle znamená větší výkon na věž.
Zatímco ostatní součásti větrné turbíny, včetně věže, převodovky a generátoru, lze snadno likvidovat, problém představují lopatky. Jsou vyrobeny z kompozitního materiálu skelného vlákna a epoxidové nebo jiné termosetové pryskyřice. Zesíťované polymery nelze roztavit a recyklovat, na rozdíl od termoplastů, jako je polypropylen.
Například lopatka větrného generátoru LM Wind Power váží 15 tun. Někteří výrobci vyrábějí lehčí čepele přidáním uhlíkových vláken. Lehkost a vysokou pevnost mohou v budoucnu poskytnout módnější vlákna, jako jsou uhlíkové nanotrubice a vysoce kvalitní syntetické materiály.
V USA a Evropě provozovatelé větrných elektráren instalovali první turbíny průmyslové velikosti na konci 1990. let. Stroje jsou navrženy tak, aby vydržely 25 let, ale některé čepele jsou předčasně odstraněny, aby byly nahrazeny účinnějšími verzemi, nebo proto, že se opotřebovaly nebo byly zasaženy bleskem.
Dokonce i lopatky rané generace větrných farem váží každá až 8 tun. Není žádným překvapením, že vyřazená lopatka turbíny je nákladná otrava. Pro provozovatele projektů větrné energie je přeprava i jediné lopatky logistickou noční můrou.
Společnost Global Fiberglass Solutions vybudovala recyklační centrum ve Sweetwateru v Texasu, které se nazývá hlavním světovým městem větrné energie, kde vyškolení pracovníci řežou lopatky větrných turbín a nakládají díly na nákladní automobil, který je přepraví do centralizovaného zařízení. Kusy jsou pak rozbíjeny na menší a menší kusy pomocí různých strojů.
Výsledný materiál lze poté kombinovat s lepidly a lisovat do vysoce výkonných kompozitních panelů, jako jsou dřevotřískové desky nebo OSB. Díky sklolaminátu jsou panely odolné proti ohni a vlhkosti, takže jsou ideální pro komerční a průmyslové budovy.
Jiné společnosti se také pokusily přeměnit staré čepele na sklolaminát nebo uhlíková vlákna. V roce 2002 dánský inženýr větrné energie Eric Grove-Nielsen založil recyklační společnost s názvem ReFiber. Vyvinul technologii pyrolýzy pro přeměnu skleněných vláken z polyesterových nebo epoxidových větrných turbín na vláknitý materiál vhodný pro použití jako izolace budov. Anaerobní proces byl doprovázen ohřevem částí turbíny na 500 °C v 6metrové rotační plynové peci.
Společnost ReFiber plánovala získat kapitál a postavit zařízení s kapacitou 5 000 tun ročně. Ale bez stálých dodávek starých čepelí společnost v roce 2007 ukončila činnost. Grove-Nielsen nyní pracuje jako konzultant pro větrnou farmu Siemens Gamesa Renewable Energy.
Ale procesy, které používají pyrolýzu nebo jiné vysokoteplotní metody, typicky produkují relativně slabá vlákna, která nelze znovu použít v drahých kompozitech. Nakonec to může být jen velmi drahý odpad.
Francouzská chemická společnost Arkema tvrdí, že dokáže vyrábět termoplastické pryskyřice, díky kterým by čepele mohly být recyklovatelné. Aby to dokázala, v roce 2017 společnost vyrobila čepel z kompozitu skelných vláken a metakrylátové pryskyřice. Na rozdíl od epoxidové pryskyřice lze tuto pryskyřici roztavit a recyklovat.
Evropské větrné turbíny by mohly najít druhý život v zemích, které právě začínají přecházet na větrnou energii, a oddálit tak problémy s koncem životnosti. „Dobrým příkladem je úplně první dánská turbína Bonus – nyní turbína Siemens, odstraněná po 33 letech úspěšného provozu“, říká Grove-Nielsen. „Tato turbína je v současné době v provozu v jižní Itálii poblíž Bari.“
V ostatních případech můžete využít kreativní přístup k recyklaci starých lopatek turbíny. Nezávislý inženýr větrných turbín Behzad Rahnama napsal diplomovou práci o přeměně pobřežních větrných turbín na umělé útesy. Ačkoli tato myšlenka nebyla testována, vyvolala velký zájem, řekl Rahnama. Poukazuje na to, že všechny materiály použité v čepelích jsou netoxické pro mořský život.
Baterie
„Každý rok se na celém světě vyprodukuje přibližně 300 000 tun odpadu z lithium-iontových baterií.“, uvádí zpráva společnosti Esticast Research & Consulting. Většina těchto baterií pochází z mobilních zařízení, ale tento odpad bude brzy nahrazen starými bateriemi z elektromobilů.
Podle mluvčího pro výzkum a vývoj baterií v National Renewable Energy Laboratory (NREL) jsou autobaterie považovány za zastaralé, když je lze nabít pouze na 80 % své kapacity. NREL odhaduje jejich životnost na přibližně 15 let. Poté mohou být znovu použity v trvalém skladu nebo recyklovány.
Testy NREL ukazují, že použité autobaterie jsou dobré pro ukládání energie z elektrické sítě. Ale existuje mnoho různých výrobců baterií, kteří se liší chemií, řídicím systémem a velikostí a tvarem. Dosud neexistuje jediný systém, který by dokázal kombinovat různé použité baterie, aby spolupracovaly.
Bylo by lepší použít jeden typ baterie? Nissan například vyhodnocuje možnost využití starých baterií Leaf EV ve stacionárních úložných systémech. Pilotní studie zjistila, že jde o poměrně praktický přístup.
S největší flotilou elektrických vozidel na světě je Čína největší časovanou bombou na světě, pokud jde o lithium-iontové baterie na konci životnosti. Nyní to ještě není naléhavý problém, protože vozy byly uvedeny do provozu teprve v posledních 6-7 letech.
Úředníci v Pekingu ale vidí rostoucí hromadu použitých baterií jako problém, který je třeba nyní řešit. V únoru 2018 vydala čínská vláda nařízení požadující od výrobců elektrických vozidel vybudovat infrastrukturu pro recyklaci použitých baterií.
V Evropě nařízení z roku 2008 známé jako směrnice o bateriích vyžaduje, aby vlády podporovaly recyklaci baterií.
Lithium-iontové baterie pro elektromobily se skládají z desítek nebo tisíců jednotlivých válcových nebo obdélníkových bateriových článků ve velkém plastovém pouzdře, které také obsahuje různé senzory a obvody. Nejcennějšími látkami uvnitř článků jsou aktivní materiály, které tvoří katodu a anodu. Většinu hmoty článku tvoří konstrukční prvky z oceli, uhlíku a hliníku.
Aktivními materiály, o které mají recyklátoři baterií největší zájem, jsou přechodné kovy kobalt a nikl nacházející se v katodě. Různé lithium-iontové baterie obsahují různé poměry těchto kovů, stejně jako lithium a v některých případech i mangan nebo železo. Vysoké ceny kobaltu jsou hnacím motorem pro recyklátory, přestože se dnes recykluje pouze 16 % kobaltu v bateriích. Lithiové a anodové materiály, jako je grafit, nelze ekonomicky recyklovat.
Umicore se sídlem v Belgii je významným výrobcem materiálů pro baterie a zároveň největším evropským recyklátorem lithium-iontových baterií. Společnost používá vysokoteplotní technologii ve svém místě poblíž Antverp. Tam dokáže zpracovat až 7 000 tun všech typů lithium-iontových baterií za rok, což odpovídá tomu, co je uvnitř 35 000 elektromobilů. Umicore má dohody s řadou výrobců automobilů, včetně Nissan, Toyota a Tesla, o recyklaci starých lithium-iontových baterií z jejich elektrických vozidel.
Ve Spojených státech nejsou lithium-iontové baterie považovány za nebezpečný odpad a lze je likvidovat s běžným domovním odpadem. Některé firmy však vyvinuly know-how pro recyklaci materiálů z odpadu z baterií.
Jednou z nich je Retriev Technologies, která provozuje velká zařízení v Ohiu a Britské Kolumbii. Společnost říká, že recykluje lithiové baterie všech typů již více než 20 let.
Recyklační proces společnosti je následující: nejprve jsou velké automobilové baterie ručně rozebrány; Oddělené buňky jsou pak přiváděny do drtiče, který zabraňuje emisím a chemickým reakcím. Drcení buněk má za následek dvě formace: kovové pevné látky s různým množstvím mědi, hliníku a kobaltu; a kapaliny obohacené kovy, které se následně čistí a regenerují na místě sušením.
Ale kovy jako kobalt musí být velmi čisté, aby mohly být znovu použity v bateriích. Extrakce kovů vysoké čistoty z proudů smíšených kovů je velmi pracná a drahá. Tyto vysokoteplotní způsoby zpracování produkují kovy, které svou hodnotou nemohou konkurovat nově těženým fosilním kovům.
Výroba nových katod z recyklovaných materiálů je navíc nákladný proces. Proto by mělo být možné získat použitý katodový materiál z lithium-iontových baterií a obnovit jej pro opětovné použití bez návratu k původním součástem.
Tyto a další problémy musí být vyřešeny, aby se vybudoval udržitelný systém recyklace baterií. Recyklátoři také požadují od producenta odpadu úhradu nákladů na likvidaci baterií. Výrobci elektrických vozidel a výrobci baterií by také měli vytvořit regionální sítě pro přijímání a recyklaci použitých baterií.
Solární panely
Otázka, co se starými solárními panely, se bude řešit nejdříve v Evropě. Nejen, že Evropa má 70 % světové instalované fotovoltaické kapacity, ale Evropská unie je také jediným regionem na světě s regulačním rámcem známým jako směrnice WEEE, který zakazuje, aby elektronické výrobky, včetně fotovoltaických panelů, putovaly na skládku.
EU odhaduje, že region v současnosti produkuje 30 000 tun odpadních fotovoltaických panelů ročně, což je číslo, které v příštích dvou desetiletích vzroste na 500 000 tun ročně. PV Cycle, evropská asociace pro průmysl fotovoltaické recyklace, uvádí, že její členové od roku 2010 shromáždili 20 000 tun odpadních fotovoltaických panelů.
Většina solárních panelů obsahuje vrstvu krystalického křemíkového polovodiče vloženou mezi skleněné tabule a odolné polymerové filmy, to vše v hliníkovém rámu. Povrch polovodiče je pokryt vrstvou stříbra použitého jako vodivý materiál a také olověnou a cínovou pájkou.
Mezi problémy spojené s nesprávnou likvidací odpadních fotovoltaických panelů může podle studie Evropské komise patřit vyplavování těžkých kovů, jako je olovo.
Ve snaze vyhnout se takovým ekologickým problémům a maximalizovat využití materiálu financovala EU výzkum včetně projektu Full Recovery End of Life Photovoltaic (FRELP).
Proces FRELP regeneruje křemík a další kovy ohřevem panelů v peci. Poté přichází fáze rozpouštění kyseliny a filtrace, během které se získává křemík. Ostatní kovy se redukují elektrolýzou. Z použitých fotovoltaických panelů je možné získat zpět 93 % materiálů. Většina zbývajícího materiálu je plast, který se spaluje v peci za účelem výroby další energie.
Přestože je FRELP novým evropským standardem pro recyklaci FV panelů, není to bezproblémové: na každých 1000 kg odpadu z FV panelů se ztratí 20 kg kovů ve formě hydroxidů, včetně cínu, hliníku, olova a zinku, které jsou následně skládkován. Další 2 kg se ztratí jako emise oxidu dusného během elektrolýzy a 5 kg se přemění na popel během fáze ohřevu pece.
Kvalita získaného křemíku není dostatečná pro opětovné použití jako fotovoltaický materiál, ale je vhodný pro použití ve speciálních slitinách hliníku a oceli.
A v Americe vědci z Arizona State University vyvíjejí nový proces zvaný sekvenční elektrovýtěžek, který lze použít k extrakci čistších kovů ze solárních článků. Kovy budou stát 13 dolarů za modul, což je dost na zaplacení recyklace, ve srovnání se 3 dolary v cyklu FRELP.
Propojené solární články jsou ponořeny do zahřátého roztoku kyseliny dusičné, aby se rozpustilo stříbro, cín, měď a olovo. Vyloužený roztok se ochladí, což způsobí vysrážení oxidu cíničitého. Při použití různých napětí vycházejí z roztoku jiné kovy a ukládají se na elektrodách.
V sekundárním procesu se zbývající křemík nejprve namočí do kyseliny fluorovodíkové a poté do hydroxidu sodného. V tomto případě jsou zbývající nekřemíkové materiály odleptány a většina křemíku vysoké „solární“ kvality zůstane.
Odvětví solární energie je připraveno na modernizaci. Než však moduly nasazené ve stávajících velkých utilitách dosáhnou konce své životnosti, uplynou desítky let. Ale je těžké určit tyto pojmy: 20, 25 nebo dokonce 35 let?
V současné době vzniká solární odpad hlavně tehdy, když se moduly předčasně rozbijí nebo nesplní své záruky, v takovém případě je výrobce nucen přijmout opatření pro likvidaci nebo recyklaci. Po uplynutí záruční doby přechází odpovědnost za panely na majitele. Výrobci technologií obnovitelných zdrojů energie se často nepovažují za odpovědné za recyklaci svých produktů.
Odborníci a pozorovatelé z oboru se shodují, že jak se staré solární panely, lopatky větrných turbín a baterie elektrických vozidel hromadí kvůli nedostatku optimálních možností likvidace, odpad bude brzy na denním pořádku.