Переработка смолы и волокна из отходов лопаток ветряных турбин с помощью малых молекул

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9270 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Ветроэнергетика имеет значительный потенциал роста и применимости в глобальном масштабе, но ежегодно приходится выводить из эксплуатации примерно 2,4% лопастей ветряных турбин. Большинство компонентов лезвий могут быть переработаны; однако ветряные лопасти редко перерабатываются. В настоящем исследовании был представлен альтернативный метод, включающий технологию с использованием малых молекул, основанную на динамической реакции, которая растворяет отходы композитных материалов, содержащих сложноэфирные группы, для переработки отработанных лопастей ветряных турбин. Этот эффективный процесс требует температуры ниже 200 °C, а основной компонент, то есть смолу, можно легко растворить. Этот метод можно применять для переработки композитных материалов, таких как лопасти ветряных турбин и композиты из углеродного волокна, содержащие волокна и смолы. В зависимости от отходов можно достичь до 100% выхода деградации смолы. Раствор, используемый для процесса переработки, можно использовать повторно несколько раз, а также для получения компонентов на основе смол и создания замкнутого цикла для этого типа материала.

Ветер — это полностью возобновляемый источник энергии с бесконечными ресурсами и эффективной технологией его использования. Европа, Китай и морские ветряные турбины установили новые рекорды в 2020 году, установив более 93 ГВт общей мощностью 742,7 ГВт1. ЕС прогнозирует, что новые здания повысят мощность ветровой энергетики с 205 ГВт2 до 323 ГВт к 2030 году. Ветроэнергетика обеспечивает 15% электроэнергии ЕС, а к 2030 году она будет поставлять 30%. В период с 2020 по 2030 год многие ветряные турбины, построенные в 2000-х годах, будут направлены на вывод из эксплуатации и демонтаж3,4. В Германии, Испании и Дании насчитывалось 41–57% установленных в Европе ветряных турбин со сроком эксплуатации более 15 лет в 2020 году5,6. В 2021 году суммарная мощность ВЭУ мощностью 4 ГВт (6000 турбин) может быть выведена из эксплуатации в связи с истечением 20-летнего срока поддержки7. Ежегодно заменяется 2,4% всех лопастей ветряных турбин в Европе8. Крупные композитные материалы, такие как лопасти ветрогенераторов, редко перерабатываются9,10,11,12,13, а многочисленные демонтажи и захоронение лопастей создают нагрузку на окружающую среду, что приводит к потере химической энергии и потенциала материала для переработки.

Лопасти ветряных турбин имеют сложный состав, содержащий термопластические покрытия, композиты термореактивного стекла и углеродного волокна14, углеродное волокно, пробковое дерево и клеящие вещества15. Такой состав очень затрудняет разделение материалов и дальнейшее повторное использование отделенных фракций16,17,18,19. На дополнительный 1 кВт установленной ветроэнергетической мощности требуется 12–15 кг композитов, включая лопастные материалы20. Сшитые термореактивные полимеры композитов внешнего слоя нельзя плавить или повторно формовать, что делает проблематичными даже ранние стадии переработки21,22,23,24,25,26. Исследователи разработали механические27,28,29,30, термические31 и химические32,33,34,35,36 методы переработки термореактивных композитов. Методы термической переработки пиролиза и газификации имеют рейтинги TRL 9 и 5/6 соответственно37,38. К сожалению, условия пиролиза с температурой, превышающей 500 °C, могут повредить волокна, сохраняя остатки окисления, обугливание или химическую структуру. Это также не всегда экономично, и его пригодность зависит от используемой технологии. Если процесс термической конверсии должен выполняться как автотермический процесс, необходимо использовать некоторые или все летучие вещества, выделяемые в ходе процесса. В результате некоторые, если не большая часть, органических соединений, извлекаемых из такого потока, теряются. Кроме того, процессы термической конверсии производят сложные смеси, которые перед использованием требуют дополнительных высокотемпературных процессов, таких как дистилляция, гидродеоксигенация или гидрокрекинг. Сольволиз, используемый в этой работе, восстанавливает чистые, неповрежденные волокна и повторно использует смолу, и это может замкнуть цикл композитов на основе армированных волокнами смол39. Из-за высокой температуры (но ниже, чем у пиролиза или газификации) и условий высокого давления, которые позволяют собирать и повторно вводить значительные объемы растворителей, этот метод неэффективен и энергозатратен. Этот метод предлагает лучшее соотношение стоимости и стоимости товаров, несмотря на TRL 5/626,40.