Ветряные турбины становятся все больше. Лопасти становятся все длиннее. И вопрос о том, что происходит с этими лопастями по окончании срока их службы, становится все труднее игнорировать. Национальная лаборатория возобновляемой энергии разработала новый полимерный материал, который, по ее словам, впервые может сделать химически осуществимой крупномасштабную переработку лопастей.
Этот материал называется полиэфирной ковалентно адаптируемой сетчатой структурой, известной как PECAN. NREL утверждает, что он обеспечивает структурную целостность лопаток в течение многих лет эксплуатации. После вывода из эксплуатации смола растворяется в слабом химическом растворе примерно за шесть часов. Этот процесс сохраняет структурные волокна неповрежденными и доступными для восстановления.
Почему существующие методы переработки отходов неэффективны
Традиционные смолы для лопастей ветрогенераторов представляют собой термореактивные композиты. После отверждения их нельзя расплавить или изменить форму. Операторы обычно сталкиваются с двумя вариантами: механическое измельчение или захоронение на свалке. Оба варианта дают малоценный результат и приводят к образованию значительного количества отходов.
Проблема усугубилась с увеличением масштабов производства турбин. Более длинные лопасти позволяют получать больше электроэнергии на одну турбину. Кроме того, они создают более крупные и тяжелые композитные конструкции, которые сложнее обрабатывать. Слишком долго отрасль рассматривала утилизацию отработанных турбин как второстепенный вопрос.
NREL начала систематически решать эту проблему в 2022 году. Тогда лаборатория выявила необходимость заложить возможность вторичной переработки в конструкцию лопастей с самого начала. Принцип «проектирование прежде всего» стал основой для разработки PECAN.
От лабораторной концепции до физического прототипа
К декабрю 2023 года NREL создала девятиметровый прототип лопасти с использованием смолы PECAN. Это продемонстрировало возможность производства материала в значительных масштабах. К августу 2024 года лаборатория продвинула концепцию, создав второй девятиметровый прототип. Эта версия продемонстрировала как технологичность производства, так и возможность химической переработки смолы.
Последняя модификация технологии нацелена на внешнюю структуру лезвия, богатую углеродом. В NREL заявляют, что смола растворяется избирательно, позволяя богатой углеродом оболочке отделяться от стекловолокна внутри. Оба материала затем становятся пригодными для повторного использования, а не для утилизации.
PECAN имеет растительное происхождение. Это обуславливает иной исходный профиль по сравнению с распространенными в настоящее время в отрасли термореактивными смолами на нефтяной основе. NREL позиционирует его как простое изменение конструкции, а не как полную перестройку производства, хотя проверка в промышленных масштабах еще впереди.
Усиление давления на инфраструктуру ветроэнергетики
Ветроэнергетика развивается под возрастающим давлением. Спрос на электроэнергию растет в крупнейших экономиках мира. Ускоряется строительство центров обработки данных. Нагрузки, связанные с искусственным интеллектом, увеличивают нагрузку на энергосистему таким образом, который было трудно прогнозировать даже пять лет назад. Ветроэнергетика остается одной из немногих технологий, способных обеспечивать экологически чистую энергию в масштабах, необходимых для удовлетворения этих потребностей.
Это расширение означает ввод в эксплуатацию большего количества турбин и лопастей. Это также означает, что в конечном итоге больше лопастей будет выведено из эксплуатации. Всемирный совет по ветроэнергетике прогнозирует значительный рост объемов вывода из эксплуатации в течение следующего десятилетия, поскольку турбины первых поколений достигают конца своего срока службы. Траектория образования отходов уже очевидна.
PECAN не решает всех аспектов этой проблемы. Коммерческая жизнеспособность за пределами прототипного масштаба не доказана. Экономическая целесообразность химической переработки в промышленных объемах неясна. NREL представил убедительное подтверждение концепции. Внедрение в промышленность зависит от соотношения затрат и эффективности, которое лабораторные результаты пока не могут подтвердить.
Переформулировка проектной задачи
Наиболее существенный сдвиг, который представляет собой проект PECAN, может быть концептуальным. Переработка лопаток долгое время рассматривалась как проблема управления отходами. Подход NREL рассматривает ее как вопрос материаловедения, на который следует ответить еще до начала строительства лопатки.
Если производители лопастей примут такую концепцию, это изменит решения о закупках. Это изменит то, как операторы учитывают затраты по окончании срока службы. Это изменит то, что регулирующие органы могут обоснованно требовать. Европейский союз уже перешел к расширенным требованиям ответственности производителя за компоненты ветроэнергетических установок. Другие юрисдикции могут последовать его примеру.
Работа NREL показывает, что лопатку можно сконструировать таким образом, чтобы она разбиралась так же целенаправленно, как и собиралась. В этом заключается практический аргумент в пользу проекта PECAN. Скорость развития отрасли будет зависеть от данных о затратах, которые пока не находятся в открытом доступе.
Результаты, полученные на прототипе, заслуживают доверия. Сроки коммерческого внедрения остаются неопределенными.
