DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111290
تاريخ النشر: 2024-02-13
المؤلف: Francesca Spini وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات البوليمرية المدعمة بالألياف
نظرة عامة
تستعرض المراجعة استراتيجيات نهاية العمر (EoL)، وخاصة تقنيات إعادة التدوير، لإدارة نفايات البوليمر المقوى بالألياف من شفرات توربينات الرياح المتوقفة عن العمل، والتي تتكون أساسًا من البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP) وزيادة استخدام البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP). مع استمرار نمو الطاقة الريحية، من المتوقع أن يرتفع حجم نفايات المركبات في نهاية العمر، مما يستدعي طرق إعادة تدوير فعالة. عادةً ما يتم إعادة تدوير GFRP من خلال عمليات أفران الأسمنت أو الطرق الميكانيكية، على الرغم من أن هذه الأساليب غالبًا ما تؤثر على جودة الألياف المستعادة. بالمقابل، يبرر CFRP، كونه مادة ذات قيمة عالية، استخدام طرق إعادة تدوير أكثر تكلفة، مثل التحلل الحراري والتحلل بالمذيبات، والتي يمكن أن تنتج أليافًا ذات خصائص ميكانيكية متفوقة.
تسلط المراجعة الضوء على التحديات المرتبطة بإعادة تدوير البوليمرات التقليدية المقواة بالألياف وتؤكد على الحاجة إلى تقنيات إعادة تدوير مبتكرة وفعالة من حيث التكلفة، مثل إعادة التدوير الكيميائي بمساعدة الميكروويف. تظهر هذه الطريقة وعدًا في استعادة الألياف عالية الجودة مع تقليل استهلاك الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تدعو الدراسة إلى مزيد من استكشاف طرق إعادة التدوير الكهروكيميائية، التي يمكن أن تحافظ على طول الألياف، وهو عامل حاسم لإعادة استخدام الألياف المعاد تدويرها في مركبات جديدة. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية تطوير استراتيجيات نهاية العمر الفعالة لمعالجة مشكلة نفايات المركبات المتزايدة في قطاع الطاقة الريحية.
مقدمة
ت outlines مقدمة ورقة البحث الحاجة الملحة لأوروبا لتحقيق انبعاثات غازات الدفيئة الصفرية بحلول عام 2050، كما أكد عليه الاتفاق الأخضر الأوروبي. لتسهيل هذا الانتقال، يتم استهداف تقليل كبير بنسبة 55% في انبعاثات غازات الدفيئة بحلول عام 2030، مقارنة بمستويات عام 1990. أحد المكونات الرئيسية لهذه الجهود في إزالة الكربون هو توسيع مصادر الطاقة المتجددة، وخاصة الطاقة الريحية، التي أصبحت مساهمًا رئيسيًا في توليد الكهرباء. في عام 2020، شكلت الطاقة الريحية 15% من إجمالي إنتاج الطاقة في الاتحاد الأوروبي-27، متجاوزة الفحم للمرة الأولى. تشير التوقعات إلى أن الطاقة الريحية ستشكل 25% من مزيج الكهرباء بحلول عام 2030 و50% بحلول عام 2050، مما يستدعي إدارة النفايات الناتجة عن توربينات الرياح المتوقفة عن العمل.
تركز المراجعة على استراتيجيات نهاية العمر (EoL) لشفرات توربينات الرياح، مع التركيز بشكل خاص على التحديات المرتبطة بإعادة تدوير المواد المركبة الحرارية المستخدمة في بناء الشفرات. بينما كانت جهود إعادة التدوير التقليدية تركز على المركبات المقواة بالألياف الزجاجية، فإن الاستخدام المتزايد للمركبات المقواة بألياف الكربون في الشفرات الأطول يقدم تحديات وفرص جديدة. تهدف الورقة إلى استكشاف استراتيجيات نهاية العمر المختلفة وطرق إعادة التدوير، مما يوفر في النهاية رؤى حول ممارسات إدارة النفايات المستقبلية لشفرات توربينات الرياح مع استمرار توسع الصناعة.
طرق
تناقش هذه القسم المواد المستخدمة في توربينات الرياح، مع التأكيد على أهمية القابلية لإعادة التدوير في نهاية عمرها الافتراضي. حاليًا، حوالي 85-90% من مكونات توربينات الرياح قابلة لإعادة التدوير، حيث يتم إعادة استخدام الفولاذ والخرسانة في تطبيقات متنوعة. ومع ذلك، فإن إعادة تدوير شفرات توربينات الرياح، التي تتكون أساسًا من مركبات البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP)، تواجه تحديات كبيرة بسبب الطبيعة المتشابكة للمواد الحرارية. يتم استكشاف حلول مبتكرة، مثل RecyclableBlade من Siemens Gamesa ونموذج LM Wind Power باستخدام الراتنجات الحرارية، لتعزيز القابلية لإعادة التدوير. على الرغم من هذه التقدمات، لا تزال إعادة تدوير المركبات الحرارية التقليدية قضية ملحة، مما يستدعي استراتيجيات نهاية العمر البديلة مثل إعادة الاستخدام وإعادة التوجيه، على الرغم من وجود قيود.
كما ي outlines القسم طرق إعادة التدوير المختلفة للمركبات الحرارية، بما في ذلك تكسير النبضات عالية الجهد (HVF) والعمليات الكيميائية. لقد أظهرت HVF وعدًا في إنتاج ألياف أنظف بمحتوى راتنج أقل، على الرغم من أنها أكثر استهلاكًا للطاقة من إعادة التدوير الميكانيكي. وقد أظهرت طرق أخرى، مثل التطبيقات عالية الجهد لاستعادة ألياف الكربون وإعادة التدوير الكيميائي بمساعدة الميكروويف، فصلًا فعالًا للألياف مع الحفاظ على خصائصها الميكانيكية. تهدف هذه الأساليب المبتكرة إلى إنشاء إطار عمل أكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة لإدارة نفايات شفرات توربينات الرياح، مما يسهم في النهاية في اقتصاد دائري في قطاع الطاقة الريحية.
نقاش
ت outlines قسم النقاش في ورقة البحث الجوانب الرئيسية لتصنيع شفرات توربينات الرياح، وإدارة النفايات، واستراتيجيات نهاية العمر (EoL). تشمل تقنيات التصنيع الأساسية حقن الراتنج والتشريب المسبق، حيث تتكون الشفرات عادةً من مواد مركبة أحادية الاتجاه (UD)، مثل البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP) والبوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP). يتطلب الحجم المتزايد لشفرات التوربينات، الذي يتجاوز 100 متر، استخدام ألياف الكربون لتقليل الوزن على الرغم من تكلفتها الأعلى. من المتوقع أن يؤدي هذا الاتجاه إلى إنتاج نفايات CFRP كبيرة، حيث تشير التقديرات إلى 483,000 طن على مستوى العالم بحلول عام 2050، مما يستدعي استراتيجيات نهاية العمر الفعالة.
تؤكد الورقة على أهمية هرم إدارة النفايات كما هو محدد في توجيه الإطار الأوروبي للنفايات، الذي يعطي الأولوية لمنع النفايات، وإعادة الاستخدام، وإعادة التوجيه، وإعادة التدوير، والاسترداد، والتخلص. تهدف approaches مبتكرة مثل مشروع Zero wastE Blade ReseArch (ZEBRA) إلى تطوير شفرات قابلة لإعادة التدوير بالكامل باستخدام المركبات الحيوية والراتنجات الحرارية. يتم مناقشة طرق إعادة التدوير المختلفة، بما في ذلك العمليات الميكانيكية والحرارية، مع تسليط الضوء على إمكانياتها وقيودها. تُعتبر إعادة التدوير الميكانيكي فعالة من حيث التكلفة ولكنها تؤدي إلى مواد ذات جودة أقل، بينما تُظهر إعادة التدوير الحرارية، وخاصة التحلل الحراري، وعدًا في استعادة ألياف عالية الجودة من مركبات CFRP. تختتم الورقة بالقول إن معالجة تحديات إدارة نفايات نهاية العمر أمر حاسم لاستدامة قطاع الطاقة الريحية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111290
Publication Date: 2024-02-13
Author(s): Francesca Spini et al.
Primary Topic: Fiber-reinforced polymer composites
Overview
The review examines End-of-Life (EoL) strategies, particularly recycling techniques, for managing fiber reinforced thermoset polymer waste from decommissioned wind turbine blades, which are primarily composed of glass fiber reinforced polymer (GFRP) and increasingly carbon fiber reinforced polymer (CFRP). As wind energy continues to grow, the volume of EoL composite waste is expected to rise, necessitating effective recycling methods. GFRP is typically recycled through cement kiln processes or mechanical methods, though these approaches often compromise the quality of the recovered fibers. In contrast, CFRP, being a high-value material, justifies the use of more expensive recycling methods, such as pyrolysis and solvolysis, which can yield fibers with superior mechanical properties.
The review highlights the challenges associated with recycling traditional fiber reinforced thermoset polymers and emphasizes the need for innovative and cost-effective recycling techniques, such as microwave-assisted chemical recycling. This method shows promise for recovering high-quality fibers while minimizing energy consumption. Additionally, the study calls for further exploration of electrochemical recycling methods, which could maintain fiber length, a crucial factor for reusing recycled fibers in new composites. Overall, the research underscores the importance of developing efficient EoL strategies to address the growing composite waste problem in the wind energy sector.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the urgent need for Europe to achieve net-zero greenhouse gas emissions by 2050, as emphasized by the European Green Deal. To facilitate this transition, a significant reduction of 55% in greenhouse gas emissions by 2030, relative to 1990 levels, is targeted. A key component of this decarbonization effort is the expansion of renewable energy sources, particularly wind power, which has become a leading contributor to electricity generation. In 2020, wind power accounted for 15% of total energy production in the EU-27, surpassing coal for the first time. Projections indicate that wind energy will constitute 25% of the electricity mix by 2030 and 50% by 2050, necessitating the management of waste from decommissioned wind turbines.
The review focuses on the End-of-Life (EoL) strategies for wind turbine blades, particularly addressing the challenges associated with recycling thermoset composite materials used in blade construction. While traditional recycling efforts have concentrated on glass fiber composites, the increasing use of carbon fiber reinforced composites in longer blades presents new challenges and opportunities. The paper aims to explore various EoL strategies and recycling methods, ultimately providing insights into future waste management practices for wind turbine blades as the industry continues to expand.
Methods
The section discusses the materials used in wind turbines, emphasizing the importance of recyclability at the end of their service life. Currently, about 85-90% of wind turbine components are recyclable, with steel and concrete being repurposed for various applications. However, the recycling of wind turbine blades, primarily made from glass fiber reinforced polymer (GFRP) composites, poses significant challenges due to the crosslinked nature of thermoset materials. Innovative solutions, such as Siemens Gamesa’s RecyclableBlade and LM Wind Power’s prototype using thermoplastic resin, are being explored to enhance recyclability. Despite these advancements, the recycling of traditional thermoset composites remains a pressing issue, necessitating alternative end-of-life strategies like reuse and repurposing, albeit with limitations.
The section also outlines various recycling methods for thermoset composites, including high-voltage pulse fragmentation (HVF) and chemical processes. HVF has shown promise in producing cleaner fibers with lower resin content, although it is more energy-intensive than mechanical recycling. Other methods, such as high-voltage applications for carbon fiber recovery and microwave-assisted chemical recycling, have demonstrated effective separation of fibers while maintaining their mechanical properties. These innovative approaches aim to establish a more sustainable and cost-effective framework for managing wind turbine blade waste, ultimately contributing to a circular economy in the wind energy sector.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines key aspects of wind turbine blade manufacturing, waste management, and end-of-life (EoL) strategies. The primary manufacturing techniques include resin infusion and pre-impregnation, with blades typically composed of unidirectional (UD) composite materials, such as glass fiber reinforced polymer (GFRP) and carbon fiber reinforced polymer (CFRP). The increasing size of turbine blades, exceeding 100 meters, necessitates the use of carbon fibers for weight reduction despite their higher cost. This trend is projected to result in significant CFRP waste, with estimates suggesting 483,000 tons globally by 2050, necessitating effective EoL strategies.
The paper emphasizes the importance of a waste management hierarchy as defined by the European Waste Framework Directive, which prioritizes waste prevention, reuse, repurposing, recycling, recovery, and disposal. Innovative approaches such as the Zero wastE Blade ReseArch (ZEBRA) project aim to develop fully recyclable blades using biocomposites and thermoplastic resins. Various recycling methods, including mechanical and thermal processes, are discussed, highlighting their potential and limitations. Mechanical recycling is noted for its cost-efficiency but results in lower-quality materials, while thermal recycling, particularly pyrolysis, shows promise for recovering high-quality fibers from CFRP composites. The paper concludes that addressing the challenges of EoL waste management is crucial for the sustainability of the wind energy sector.