Các tuabin gió ngày càng lớn hơn. Cánh quạt ngày càng dài hơn. Và câu hỏi về việc điều gì sẽ xảy ra với những cánh quạt đó khi hết tuổi thọ ngày càng trở nên khó có thể bỏ qua. Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia (NREL) đã phát triển một loại vật liệu nhựa mới mà họ cho rằng lần đầu tiên có thể giúp việc tái chế cánh quạt quy mô lớn trở nên khả thi về mặt hóa học.
Vật liệu này được gọi là Mạng lưới liên kết cộng hóa trị Polyeste, viết tắt là PECAN. NREL cho biết nó giúp giữ cho các cánh quạt có cấu trúc chắc chắn trong nhiều năm hoạt động. Sau khi ngừng hoạt động, nhựa sẽ hòa tan trong dung dịch hóa chất nhẹ trong khoảng sáu giờ. Quá trình này giữ cho các sợi cấu trúc còn nguyên vẹn và có thể được thu hồi.
Vì sao các phương pháp tái chế hiện tại còn nhiều thiếu sót
Nhựa dùng cho cánh quạt gió truyền thống là vật liệu composite nhiệt rắn. Sau khi đóng rắn, chúng không thể nấu chảy hoặc định hình lại. Các nhà vận hành thường phải đối mặt với hai lựa chọn: nghiền nát bằng máy móc hoặc chôn lấp. Cả hai đều cho kết quả giá trị thấp và tạo ra lượng chất thải đáng kể.
Vấn đề ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn khi kích thước tuabin được mở rộng. Cánh quạt dài hơn tạo ra nhiều điện năng hơn trên mỗi tuabin. Chúng cũng tạo ra các cấu trúc composite lớn hơn, nặng hơn và khó gia công hơn. Ngành công nghiệp đã xem việc quản lý vòng đời sản phẩm như một mối quan tâm thứ yếu quá lâu.
NREL bắt đầu giải quyết vấn đề này một cách có hệ thống vào năm 2022. Tại thời điểm đó, phòng thí nghiệm đã xác định cần phải tích hợp khả năng tái chế vào thiết kế cánh quạt ngay từ đầu. Nguyên tắc thiết kế ưu tiên đã trở thành nền tảng cho sự phát triển của PECAN.
Từ ý tưởng trong phòng thí nghiệm đến nguyên mẫu vật lý
NREL đã chế tạo một nguyên mẫu cánh quạt dài chín mét bằng nhựa PECAN vào tháng 12 năm 2023. Điều đó chứng minh rằng vật liệu này có thể được sản xuất ở quy mô đáng kể. Đến tháng 8 năm 2024, phòng thí nghiệm đã phát triển ý tưởng này với nguyên mẫu thứ hai dài chín mét. Phiên bản này chứng minh cả khả năng sản xuất và khả năng tái chế hóa học của nhựa.
Công nghệ cải tiến mới nhất này nhắm vào cấu trúc bên ngoài giàu carbon của cánh quạt. NREL cho biết nhựa này sẽ hòa tan một cách chọn lọc, cho phép lớp vỏ giàu carbon tách ra khỏi các sợi thủy tinh bên trong. Cả hai vật liệu sau đó đều có thể được tái sử dụng thay vì phải thải bỏ.
PECAN có nguồn gốc từ thực vật. Điều đó tạo nên đặc điểm ban đầu khác biệt so với các loại nhựa nhiệt rắn gốc dầu mỏ hiện đang phổ biến trong ngành. NREL định vị nó như một giải pháp thay thế trực tiếp vào thiết kế chứ không phải là một cuộc đại tu toàn bộ quy trình sản xuất, mặc dù việc kiểm chứng ở quy mô thương mại vẫn còn ở phía trước.
Áp lực ngày càng gia tăng đối với cơ sở hạ tầng năng lượng gió
Năng lượng gió đang mở rộng dưới áp lực ngày càng gia tăng. Nhu cầu điện năng đang tăng cao ở các nền kinh tế lớn. Việc xây dựng trung tâm dữ liệu đang tăng tốc. Khối lượng công việc của trí tuệ nhân tạo đang làm tăng tải trọng lưới điện theo những cách khó dự đoán ngay cả cách đây 5 năm. Năng lượng gió vẫn là một trong số ít công nghệ có khả năng cung cấp năng lượng sạch ở quy mô đáp ứng được những nhu cầu đó.
Việc mở rộng đó đồng nghĩa với việc sẽ có thêm nhiều tuabin và cánh quạt được đưa vào sử dụng. Điều đó cũng có nghĩa là sẽ có thêm nhiều cánh quạt bị loại bỏ sau này. Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu đã dự báo sự tăng trưởng đáng kể về khối lượng thiết bị tháo dỡ trong thập kỷ tới, khi các tuabin thế hệ đầu tiên đạt đến cuối vòng đời. Xu hướng thải bỏ đã bắt đầu hiện rõ.
PECAN không giải quyết được mọi khía cạnh của vấn đề đó. Tính khả thi thương mại ngoài quy mô nguyên mẫu vẫn chưa được chứng minh. Hiệu quả kinh tế của việc tái chế hóa chất ở quy mô công nghiệp vẫn chưa rõ ràng. NREL đã tạo ra một bằng chứng khả thi đáng tin cậy. Việc áp dụng trong công nghiệp phụ thuộc vào hiệu quả chi phí mà các kết quả thí nghiệm chưa thể xác nhận.
Định hình lại câu hỏi thiết kế
Sự thay đổi quan trọng hơn mà PECAN thể hiện có lẽ nằm ở khía cạnh khái niệm. Việc tái chế cánh quạt từ lâu đã được coi là một vấn đề quản lý chất thải. Cách tiếp cận của NREL coi đó là một vấn đề kỹ thuật vật liệu cần được giải đáp trước khi cánh quạt được chế tạo.
Nếu các nhà sản xuất cánh quạt áp dụng khuôn khổ đó, nó sẽ thay đổi các quyết định mua sắm. Nó sẽ thay đổi cách các nhà vận hành tính toán chi phí cuối vòng đời sản phẩm. Nó sẽ thay đổi những gì các cơ quan quản lý có thể yêu cầu một cách hợp lý. Liên minh châu Âu đã tiến tới các yêu cầu về trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất đối với các bộ phận của tuabin gió. Các khu vực pháp lý khác có thể sẽ làm theo.
Nghiên cứu của NREL cho thấy rằng một cánh quạt có thể được thiết kế để tách rời một cách có chủ đích giống như khi nó được lắp ráp. Đó là lập luận thực tiễn cho PECAN. Liệu ngành công nghiệp có tiến hành nhanh chóng hay không sẽ phụ thuộc vào dữ liệu chi phí hiện chưa được công bố.
Kết quả thử nghiệm nguyên mẫu rất đáng tin cậy. Tuy nhiên, thời gian triển khai thương mại vẫn chưa chắc chắn.
