Ветроэнергетика – наш ключевой инструмент в борьбе с изменением климата. Однако, когда срок службы ветрогенераторов подходит к концу, их лопасти могут стать серьезной проблемой с точки зрения отходов. Недавнее исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Nature, представляет собой один из первых шагов к созданию инфраструктуры возобновляемой энергетики, которая не будет заканчивать свой путь на свалке.
Чтобы выполнять свои функции, лопасти ветрогенераторов должны быть чрезвычайно прочными. Эти рабочие лошадки возобновляемой энергетики служат десятилетиями, регулярно вращаясь со скоростью до 30 оборотов в минуту.
Но когда наступает момент вывода турбины из эксплуатации, прочность лопастей оборачивается недостатком. Поскольку они спроектированы настолько долговечными, материалы, из которых они изготовлены, на данный момент невозможно переработать. По прогнозам, к 2050 году будет выведено из эксплуатации около 43 миллионов тонн таких лопастей.
Новая работа описывает способ извлечения основных компонентов лопастей ветрогенераторов путем разрушения пластика, который их скрепляет, но без уничтожения ключевых строительных блоков самого материала.
«Нам нужна устойчивая энергетика, но мы также должны учитывать отходы и находить для них решения», — говорит Александр Ахренс, постдокторант Орхусского университета в Дании и ведущий автор нового исследования.
Лопасти ветрогенераторов производятся с использованием прочного пластика — эпоксидной смолы. Из-за химических связей, образующихся при затвердевании эпоксидной смолы, ее нельзя просто расплавить и отлить в новую форму для повторного использования, в отличие от пластика, из которого делают бутылки для воды или молочные канистры. В данном случае для дополнительной прочности в смолу вводятся волокна. Такой композитный материал, известный как стеклопластик (если армирующие волокна стеклянные), часто используется в высоконагруженных конструкциях, таких как крылья самолетов и корпуса судов.
«Поскольку эти материалы настолько долговечны, на данный момент не существует подходящих технологий для их переработки», — отмечает Ахренс.
Существуют некоторые методы разложения стеклопластика, но они, как правило, делают эпоксидную часть непригодной для использования, а зачастую повреждают и стекловолокна. Исследователи из Орхуса поставили цель разработать настолько щадящий метод, чтобы основные компоненты можно было использовать повторно.
Разработанный подход нацелен на химические связи, фиксирующие пластик, и «разжевывает их, подобно Пакману — просто разрушает эпоксид и высвобождает эти стеклянные волокна», — поясняет Троэльс Скрюдструп, профессор химии в Орхусе и еще один автор исследования.
Для разрушения эпоксидных материалов его погружали в смесь растворителей, добавляя катализатор для ускорения химической реакции. Смесь нагревали до 160 °C (320 °F) в течение периода от 16 часов до нескольких дней, пока целевой материал полностью не распадался.
После первоначальных испытаний исследователи применили этот метод к фрагменту лопасти ветрогенератора размером один дюйм на дюйм. Через шесть дней результатом стали практически чистые стеклянные волокна (а также поддерживающий металлический лист, проходящий через большинство лопастей) и колбы с ингредиентами, которые могут быть вновь использованы в новых материалах.
Это первый случай, когда исследователям удалось разложить армированный эпоксидный материал для извлечения как строительных блоков пластика, так и находящихся внутри стеклянных волокон без повреждения ни одного из компонентов, подчеркивает Скрюдструп.
Хотя этот лабораторный процесс показал перспективу, его масштабирование до уровня, способного существенно повлиять на миллионы тонн лопастей, которые будут выводиться из эксплуатации в ближайшие десятилетия, может оказаться непростой задачей. «Я думаю, важно то, что это доказывает концепцию, которая может вдохновить других начать двигаться в этом направлении», — считает Скрюдструп.
Исследования, доказывающие концепцию, имеют решающее значение в химической переработке, и этот подход «действительно захватывающий», тем более что исследователи продемонстрировали его работу на реальных отходах, отмечает Джули Роррер, профессор Вашингтонского университета, изучающая химическую переработку.
Следующий этап, по мнению Роррер, — понять, можно ли применить этот метод в промышленных масштабах, или определить, что нужно скорректировать, чтобы процесс стал достаточно быстрым и эффективным для экономической целесообразности.
Одним из возможных препятствий на пути к коммерческому внедрению является то, что катализатор, используемый в методе переработки исследователей, основан на дорогом металле — рутении. Исследователи использовали много этого металла, и хотя он не расходуется в ходе реакции, его извлечение и повторное использование могут быть затруднены.
Для промышленной переработки лопастей могут подойти другие методы. Лаборатория Скрюдструпа разработала другой процесс разложения лопастей, о котором ранее в этом году производитель ветряных турбин Vestas упоминал в пресс-релизе.
Скрюдструп утверждает, что этот подход представляет собой двухэтапный процесс и может оказаться более осуществимым для коммерческой эксплуатации, хотя исследователи воздерживаются от подробностей, поскольку готовят результаты к подаче в научные журналы.
Это лишь два из многих подходов, разрабатываемых в сфере передовой переработки. По словам Роррер, наблюдается огромный всплеск исследований, направленных на очистку самых разнообразных материалов — от одноразового пластика до лопастей ветрогенераторов — и на то есть веская причина: «В мусоре таятся ценные вещи».
