一个正在形成的产业:从垃圾填埋场转移风力涡轮机叶片

两年前，彭博社发布了一张大型风力涡轮机叶片碎片被埋在美国怀俄明州的照片。文章的标题写道:“风力涡轮机叶片无法回收，所以它们被堆在垃圾填埋场。”堆积在一起、布满灰尘的白色叶片的故事和形象，比今天的可达107米的叶片小得多，对于一个诞生于应对气候变化需要的行业来说，这不是一个好的形象。

这一悖论在该行业并非没有出现;一段时间以来，制造商一直在努力为一个注定会升级的问题寻找解决方案。根据行业贸易机构wineueurope的数据，到2025年，每年约有25,000吨叶片将达到其使用寿命的终点，到2030年，这一数字可能会增加到52,000吨。

该组织得到了包括涡轮机制造商西门子歌美飒和维斯塔斯在内的成员的支持，呼吁到2025年禁止填埋风力涡轮机部件。

“我们的目标是让它们百分之百地循环，”wineurope的新闻与传播经理克里斯托弗•齐普夫(Christoph Zipf)表示。

8月初，由西门子歌美飒开发的第一台可回收叶片被安装在德国卡斯卡西海上风电场，标志着这一目标取得了显著进展。

但通往循环的道路仍然漫长而富有挑战性。Zipf表示，目前，大约95%的风力涡轮机——包括基础、塔架和机舱内的部件，其中包含钢铁、石油和水泥等材料——通常都可以出售给现有的回收工艺，以获取利润。另一方面，刀片却不是。

它们由两种耐久的塑料树脂制成:热固性塑料和热塑性塑料。前者形成不可逆的固体聚合物，最常见也最难回收，而后者被认为更容易重熔和回收。目前可用于回收这两种方法的方法，如热解(通常在500℃或以上进行)和机械回收被认为过于昂贵和能源密集型，而其他方法则处于早期开发阶段，需要大规模演示。

因此，垃圾填埋通常是唯一或最具成本效益的选择，据风力涡轮机转子叶片制造商LM风力发电公司的高级工程总监约翰·科斯加德(John Korsgaard)说。事实上，在所有使用废弃纤维增强塑料的行业中——用于汽车座椅和内饰、飞机机翼、滑雪板和冲浪板——60%的废物被送往垃圾填埋场。

西门子歌美飒于2021年推出的可回收刀片由一种塑料树脂制成，历时五年研发。据该公司团队负责人雅各布·曼恩臣(Jakob Maennchen)说，它只需要一个“温和”的过程就能将其分解回收。

“我们不采取能源密集型措施(如机械回收或热解)，而是将刀片放入醋酸容器中，在80°C下放置3-4小时;这是一个简单的过程，不需要太多的时间和化学物质，”他解释道。

他补充说，性能、质量和制造与不可回收刀片相同，但目前材料更贵，尽管希望随着时间的推移能达到成本平价。

该叶片已经收到了来自EDF Renewables、Vattenfall和WPD的订单，如果应用于2050年之前计划的所有全球海上项目，该公司估计可以产生超过1000万吨的可回收材料。

今年3月，LM Wind Power在西班牙庞费拉达(Ponferrada)的工厂生产了一款可100%回收、长62米的叶片原型，由投资1850万欧元的Zero wastE blade ReseArch (Zebra)财团出资。

叶片采用特种化学品公司阿科玛(Arkema)生产的一种名为Elium的特殊热塑性树脂，以及全球最大的玻璃纤维复合材料制造商欧文斯康宁(Owens Corning)生产的新型高性能玻璃纤维。据说这个原型是世界上最大的热塑性刀片。

据该产品的开发人员介绍，这种树脂可以通过化学和热回收，通过加热过程将纤维从树脂中分离出来，从而被解聚——反向制造成液体。然后，这些液体可以被重复使用，用于生产新的热塑性树脂，以制造新的叶片。

原型车目前正在丹麦进行疲劳测试，12月回收过程也将进行试验。在此之后，它将提供给市场，并使用不同的增强剂开发另一个相同尺寸的测试叶片。

LM Wind Power还在试验使用化学回收技术，将涡轮机叶片制造废料重新转化为新叶片的原材料。该公司表示，该行业应优先解决这一问题。

科斯加德说:“以吨计，这实际上是一个更大的挑战，但这是一个很少被讨论和理解的问题。”“我们可以立即看到回收废物的好处。”

毫无疑问，两个可回收刀片的开发是一个里程碑，但仅仅因为一些东西是可回收的，并不意味着它会被回收。英国海上可再生能源公司(ORE) Catapult的一份报告指出，存在产生“没有明确目的地的回收物”的风险。

它强调，对于玻璃纤维增强塑料来说，原始玻璃纤维的低价格(2-3英镑/公斤)并不会鼓励使用价格更高、质量更低的回收替代品。此外，尽管欧洲垃圾填埋的成本在增长，可获得性在下降，但仍需要做更多工作来激励价值链的发展。

Maennchen相信，在Siemens Gamesa的技术寿终正寝之前，就可以实现这一目标。

“我们的刀片将在25年以上后回收。复合材料被用于各种行业，其产品的生命周期比我们的要短得多，这意味着在我们的叶片退役之前，将围绕这些材料的再利用和回收建立一个行业;我们想要参与其中，所以我们可以帮助建立这个概念，并帮助使它对每个人都可行。但这是整个行业需要共同努力的事情，”他表示。

西门子歌美飒参与了EnergyLOOP公司的一个新项目，EnergyLOOP是由西班牙能源公司Iberdrola和工业和商业废物专家FCC Ámbito建立的，于5月启动，在西班牙纳瓦拉建造第一个工业规模的风力涡轮机叶片回收工厂。这个价值1000万欧元的项目将回收玻璃、碳纤维和树脂，使它们可以在能源、航空航天、汽车、纺织、化工和建筑等行业重复使用。Iberdrola和Siemens Gamesa拒绝透露更多有关该项目的信息，比如将使用何种技术。

苏格兰也正在进行一个规模小得多、耗资200万英镑、为期三年的项目，目的是建立一个回收现有风力涡轮机叶片的试验工厂。它将测试和开发一种由斯特拉斯克莱德大学先进复合材料小组和轻量化制造中心的研究人员开发的热回收工艺，从叶片中回收玻璃纤维，然后可以重复用于汽车面板和船舶等其他产品。该技术加热叶片，蒸发将玻璃纤维固定在一起的树脂。

斯特拉斯克莱德大学石油与天然气研究所项目开发经理Mark Robertson表示，通常情况下，在这个过程中所需的高温会损坏材料，降低其特性。他说:“在我们的新工艺中，秘密在于我们可以有效地将玻璃纤维再生到接近原始的质量。”

这种方法可以回收大约80% - 90%的产品，并且该工艺可以用于任何玻璃纤维废料流。研究人员估计，他们可以以与原始材料相当或更低的成本做到这一点。

在接下来的三年里，由Aker Offshore Wind和Composite UK牵头、Innovate UK提供部分资金的财团将致力于将这项技术(目前是一个“房间大小的演示设备”)推广到英国的一个全面试点工厂。该项目的第一个里程碑是为试点工厂进行完整的工艺设计，罗伯逊预计这将在9-12个月内实现。

“我们预计这个项目的结果将是一个经过验证的商业产品，从中我们可以在任何需要的地方建造更多的工厂。潜在的供应是巨大的——在任何使用玻璃纤维的地方，”他补充道。

全球大约有250万吨复合材料用于风能领域。

到目前为止，欧洲只有83MW的海上风力发电能力退役。

但到2050年，全球陆上风电装机容量预计将上升到1200吉瓦，海上风电装机容量将达到85吉瓦(累积起来，假设生命周期为25年)。到2023年，预计风电行业将退役4万至6万吨复合材料(约1.4万片叶片)。

希望利用这一机会赚钱的公司已经层出不穷;总部位于德国的初创企业Billion People表示，他们已经开发出一种技术，可以将用于涡轮叶片的复合纤维转化为太阳能电池板和其他部件的横梁。

该公司最近从Vattenfall的16.8 mw Irene Vorrink风电场退役中收到了50吨叶片废料，该风电场由28台涡轮机组成。

化学家和公司创始人Gregor Luthe博士不愿透露该工艺背后的技术，只是说它不用电力，除了一些添加剂外没有化学消耗，最终产品完全可回收。该工艺由欧盟共同资助的碳绿项目支持。

Luthe表示，该公司需要大约10,000吨复合玻璃和碳纤维，目前他们是有偿使用这些材料，以更快地扩大技术规模。

“我们希望与那些拥有这些叶片的公司合作——我们知道一些能源运营商和制造商已经储存了这些叶片，以备他们找到合适的解决方案时使用。我们拥有的越多越好，”他补充道。长期目标是在全球范围内建立加工中心。

其他接受Irene Vorrink废品的公司还包括挪威Gjenkraft AS，该公司将从中生产可回收的纤维、合成油、天然气甚至滑雪板。

最终，西门子歌美飒希望可回收刀片将成为常态，而不是例外。

“一旦可回收树脂供应商的竞争加剧，成本下降到与传统树脂类似的水平，那么在许多应用领域，可回收树脂很可能会将传统树脂挤出市场，传统树脂将只用于有非常特殊要求的小众应用领域，”西门子Gamesa可持续发展专家乔纳斯·帕格·詹森(Jonas Pagh Jensen)说。

他认为，可回收刀片将分为两个阶段;在当前阶段，它们是被选择使用的，而在第二阶段，它们是默认的。为了实现后者，詹森表示，供应商领域需要更多的竞争和创新，以降低可回收树脂的成本，同时还需要开发商、监管机构和拍卖激励机制的兴趣。

LM Wind Power的科斯加德对此表示赞同。科斯加德说:“价值链需要找到方法，将回收材料纳入他们提供给我们的产品中。”“这就是为什么该行业想要垃圾填埋禁令:推动价值链的创造。没有推动力，它不会到来。”

德国、奥地利、荷兰和芬兰已经禁止填埋涡轮叶片。wineurope表示，他们正在与欧盟委员会进行接触，以便在欧盟范围内推广，但当前的疫情和乌克兰战争使这一问题停滞不前。尽管他补充说“它不会被遗忘”。

当然，回收复合材料和树脂不仅仅是风能行业面临的挑战。根据欧洲复合材料工业协会的数据，到2025年，风能预计只占欧洲热固性复合材料废物总量的10%(占复合材料废物总量的5%)。尽管这并没有阻止风力发电的批评者利用彭博垃圾填埋场的照片作为打击该行业的棍棒，即使它目前正在领导这些材料的回收革命。

“也许是因为我们是一个年轻的行业，或者因为我们的绿色形象，这对我们来说更像是一个焦点;例如，这不是你在船体上看到的问题。我认为，与整个行业相比，我们更加关注这一领域。”

该行业似乎已经下定决心:自2020年以来，专门针对风力涡轮机叶片回收的项目数量显著增长，覆盖了价值链的广度，大多数制造商和开发商也有循环目标。

齐普夫说，无论回收过程如何商业化，它们的碳影响也必须考虑在内。他相信，最终，可持续性将成为一个质量的标志。

“制造可回收刀片是有商业理由的。展望未来，将叶片制成100%圆形将成为一个质量指标，也是欧洲风力涡轮机技术与(可能更便宜的)非欧洲风力涡轮机模型之间的重要区别。”