Windturbinenblätter müssen nicht auf Deponien landen

Dies ist einer von vier Blogs in einer Reihe, die aktuelle Herausforderungen und Möglichkeiten für das Recycling sauberer Energietechnologien untersucht. Bitte beachten Sie den einleitenden Beitrag sowie andere Einträge zu Sonnenkollektoren und Energiespeicherbatterien. Besonderer Dank geht an Jessica Garcia, UCS Sommer 2020 Midwest Clean Energy Policy Fellow, für die Unterstützung der Forschung und Co-Authoring dieser Beiträge.

Windkraftanlagen haben an Größe und Menge zugenommen, um den Anforderungen an die Kapazität für saubere Energie gerecht zu werden

Moderne Windkraft wandelt die kinetische (Bewegungs-) Energie aus Wind in mechanische Energie um. Dies geschieht durch das Drehen großer Glasfaserblätter, die dann einen Generator drehen, um Strom zu erzeugen. Windkraftanlagen, wie sie genannt werden, können sich an Land oder vor der Küste befinden.

Die Windkraft wird in den USA bis 2050 voraussichtlich weiter wachsen. Der neueste Marktbericht für Windtechnologien, der vom Lawrence Berkeley National Laboratory erstellt wurde, ergab, dass die Windenergiepreise auf einem Allzeittief liegen und für 2019 7,3 Prozent der Stromerzeugung in den USA aus Windkraft stammen. In diesem Blogbeitrag werden wir landgestützte Windkraftanlagen und die Recyclingmöglichkeiten untersuchen, die für die Turbinenschaufeln bestehen, aber noch nicht weit verbreitet sind.

Windturbinenkonstruktionen haben sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt, um Größe und Effizienz zu erhöhen, was letztendlich zu einer größeren Erzeugungskapazität führt. Das Prinzipdesign kommerzieller Turbinen sind heute Windkraftanlagen mit horizontaler Achse, die aus einem Rotor mit drei Glasfaserblättern bestehen, die an einer Nabe befestigt sind, die selbst an einem zentralen Stück (der Gondel) befestigt ist, das auf einem Stahlturm montiert ist. Verschiedene andere Maschinen und Betonfundamente sind auch in der modernen Windturbinenkonstruktion enthalten, die über 8.000 Teile pro Turbine umfasst.

Windturbinenblätter in der bestehenden US-Flotte sind durchschnittlich etwa 50 Meter lang oder etwa 164 Fuß (ungefähr die Breite eines US-Fußballfeldes). Und mit den jüngsten Trends, längere Schaufeln für größere Turbinen und höhere Türme zu verwenden, um die Stromerzeugung zu steigern, erreichen einige der größten heute produzierten Schaufeln eine Länge von 60 bis 80 Metern.

In Bezug auf die Haltbarkeit halten Windkraftanlagen durchschnittlich etwa 25 Jahre. Etwa 85 Prozent der Materialien von Turbinenkomponenten — wie Stahl, Kupferdraht, Elektronik und Getriebe – können recycelt oder wiederverwendet werden. Aber die Klingen sind anders, da sie aus Fiberglas (einem Verbundmaterial) bestehen, um für Effizienz leicht zu sein und dennoch robust genug, um Stürmen standzuhalten. Die Mischnatur des Klingenmaterials macht es schwierig, die Kunststoffe von den Glasfasern zu trennen, um sie zu einem verarbeitbaren Glasfasermaterial zu recyceln — und die für die Klingen erforderliche Festigkeit bedeutet, dass es auch physisch schwierig ist, sie auseinander zu brechen.

Wo landen gebrauchte Rotorblätter jetzt?

Rotorblätter von Windenergieanlagen müssen entsorgt oder recycelt werden, wenn die Turbinen am Ende der Nutzungsdauer stillgelegt werden oder wenn Windparks in einem als Repowering bezeichneten Prozess aufgerüstet werden. Repowering beinhaltet die Beibehaltung des gleichen Standorts und häufig die Wartung oder Wiederverwendung der primären Infrastruktur für Windkraftanlagen, jedoch die Modernisierung mit Turbinen mit größerer Kapazität. Die Blätter konnten durch modernere und gewöhnlich größere Blätter ersetzt werden. In jedem Fall stellen die Glasfaserblätter, sobald sie nicht mehr benötigt werden, die größte Herausforderung für die End-of-Use-Überlegungen für die Windenergie dar.

Während es möglich ist, die Klingen während eines Stilllegungs- oder Repoweringprozesses vor Ort in einige Stücke zu schneiden, sind die Stücke immer noch schwierig und kostspielig zum Recycling oder zur Entsorgung zu transportieren. Und der Prozess des Schneidens der extrem starken Klingen erfordert enorme Ausrüstung wie fahrzeugmontierte Drahtsägen oder Diamantdrahtsägen, ähnlich wie sie in Steinbrüchen verwendet werden. Da es derzeit so wenige Möglichkeiten gibt, die Klingen zu recyceln, wird die überwiegende Mehrheit derjenigen, die das Ende der Verwendung erreichen, entweder an verschiedenen Orten gelagert oder auf Deponien deponiert.

Tatsächlich berichtete Bloomberg Green Anfang dieses Jahres über die Entsorgung von Rotorblättern von Windkraftanlagen auf Deponien. Obwohl der Abfallstrom nur einen winzigen Bruchteil des festen Siedlungsabfalls in den USA ausmacht, ist dies eindeutig keine ideale Situation. Da Windenergieanlagen stillgelegt oder ersetzt werden, besteht die Notwendigkeit kreativerer Recyclinglösungen für gebrauchte Rotorblätter.

Die gute Nachricht ist, dass einige Bemühungen zur Entwicklung von Alternativen im Gange sind. Zwei große Versorgungsunternehmen in den USA, PacificCorp und MidAmerican Energy, haben beispielsweise kürzlich Pläne angekündigt, mit dem Tennessee-Unternehmen Carbon Rivers zusammenzuarbeiten, um einige der verbrauchten Turbinenschaufeln der Versorgungsunternehmen zu recyceln, anstatt sie zu deponieren. Die von Carbon Rivers verwendete Technologie wird durch Zuschüsse des US-Energieministeriums unterstützt und wird zum Abbau und zur Wiederverwendung von Glasfaser aus gebrauchten Turbinenschaufeln verwendet.

Emerging innovations in fiberglass Recycling

Während die Verbund Natur von Fiberglas Turbinenschaufeln macht sie notorisch schwierig, am Ende der Nutzungsphase zu behandeln, Interesse an Alternativen zu finden, kann auch Kreativität und Innovation entfachen. Zum Beispiel hat eine Partnerschaft zwischen den Universitäten in den USA, Irland und Nordirland namens Re-wind einige interessante Projektideen für den Tiefbau zur Wiederverwendung und Wiederverwendung von Glasfaserblättern entwickelt. Dazu gehört die Verwendung stillgelegter Schaufeln in Tiefbauprojekten als Teil von Stromleitungsstrukturen oder Türmen oder Dächern für Not- oder bezahlbaren Wohnraum. In Nordirland erwägt Re-wind auch, sie für den Einsatz in Fußgängerbrücken entlang von Greenways zu testen.

Weiter unten in der Abfallhierarchie zeichnen sich zusätzliche Recyclingoptionen ab. WindEurope, Vertreter der Windindustrie der Europäischen Union, arbeitet mit dem European Chemical Industry Council (Cefic) und der European Composites Industry Association (EuCIA) zusammen, um neue Methoden zur Wiederverwendung von Rotorblattmaterialien zu entwickeln. Die Organisationen schätzen, dass allein in Europa in den nächsten Jahren 14.000 Rotorblätter von Windenergieanlagen stillgelegt werden. Im Mai 2020 erstellte das Konsortium Accelerating Wind Turbine Blade Circularity, einen umfassenden Bericht, in dem Design, Forschung und technische Lösungen für den Lebenszyklus von Windkraftanlagen beschrieben werden.

Eine wichtige Überlegung für das Recycling von Verbundwerkstoffen besteht darin, sicherzustellen, dass der Recyclingprozess im Vergleich zur Alternative der Entsorgung auf Deponien ein positives Nettoergebnis erzielt. Ein Beispiel kommt aus Deutschland, wo das Konzept des Recyclings von Turbinenschaufeln zu Zement vor etwa einem Jahrzehnt erstmals in einer Anlage entwickelt wurde, die im Rahmen einer Partnerschaft zwischen Geocycle, einer Geschäftseinheit des Baustoffkonzerns HolcimAG, und der Firma Zajons gebaut wurde.

Diese Form des Recyclings beinhaltet die Kontrolle der Entsorgungskette — einschließlich des Sägens der Turbinenschaufeln in kleinere Stücke am Stilllegungsort, um die Transportlogistik und die Kosten zu senken. Das Verfahren verspricht ein 100-prozentiges Recycling und eine Reduzierung der Kohlendioxidemissionen aus der Zementkoverarbeitung, indem die Produktion von Zementrohstoffen durch die recycelten Klingen ersetzt wird, sowie die Verwendung von Biogas aus organischen Resten anstelle von Kohle als Brennstoff.

Weitere Technologien wie mechanisches Recycling, Solvolyse und Pyrolyse werden ebenfalls entwickelt, die der Industrie im Idealfall zusätzliche Optionen für den Umgang mit Glasfaserschaufeln am Ende der Verwendung bieten.

Eine weitere kreative Recyclingoption produziert Pellets oder Platten, die in Tischleranwendungen verwendet werden können. Im Jahr 2019 begann Global Fiberglass Solutions mit der Produktion eines Produkts namens EcoPoly Pellets in den USA und wird in Kürze zusätzlich eine Panel-Version produzieren. Diese Produkte sind zertifiziert als recycelt aus stillgelegten Rotorblättern von Windenergieanlagen durch RFID-Tracking (Radio Frequency Identification) vom Rotorblatt bis zum Endprodukt. EcoPoly-Pellets können in eine Vielzahl von Produkten wie Lagerpaletten, Bodenbeläge oder Parkpoller umgewandelt werden. Basierend auf seinen Nachfrageprognosen geht Global Fiberglass Solutions davon aus, in jedem seiner beiden Werke in Texas und Iowa 6.000 bis 7.000 Klingen pro Jahr verarbeiten zu können.

Ein zusätzlicher Ansatz für das Klingenrecycling besteht darin, sich auf das erste Stück zu konzentrieren — woraus die Klingen bestehen. Weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten befassen sich mit der Verwendung von thermoplastischem Harz anstelle von Glasfaser oder Kohlefaser für Windturbinenblätter. Das Material kann einfacher und billiger zu recyceln sein.

Letztendlich erfordert das Ziel, die Innovation in Richtung zusätzlicher Verwendungsanwendungen für ausgemusterte Turbinenschaufeln zu steigern, eine ausreichende Marktnachfrage, um Anreize für die Schaffung von Einrichtungen zu schaffen, die die Schaufeln recyceln können. Neben dieser Herausforderung ist ein Mangel an Politik in den USA. in Bezug auf Überlegungen zum Nutzungsende von Turbinenschaufeln, die weiter zum Status quo der Lagerung oder Entsorgung als fester Abfall auf Deponien beitragen.

Erreichen einer 100-prozentigen Recyclingfähigkeit von Windenergieanlagen

Wie oben erläutert, ist es derzeit kostengünstiger, Rotorblätter von Windenergieanlagen auf der nächstgelegenen Deponie zu entsorgen als den oft für das Recycling erforderlichen Ferntransport in der begrenzten Anzahl von Anlagen, die sie effizient verarbeiten können. Darüber hinaus leidet die Branche derzeit unter einem Mangel an regulatorischem Druck oder Marktanreizen, um andere End-of-Use-Optionen vollständig zu entwickeln.

Zwei Ansätze für eine Kreislaufwirtschaft sind eine stärkere Kommunikation entlang der Lieferkette von Windkraftanlagen und ehrgeizige Ziele. Vestas Wind Systems A / S, ein weltweit tätiges Unternehmen für die Entwicklung, Herstellung und Installation von Windenergieanlagen, hat sich entschlossen, bis 2040 abfallfreie Windenergieanlagen zu produzieren. Das Unternehmen plant, dies zu erreichen, indem es in den nächsten 20 Jahren die Recyclingfähigkeit erhöht, indem es eng mit seinen Partnern entlang der Lieferkette zusammenarbeitet, um letztendlich die Verbrennung oder Deponierung seiner Produkte zu vermeiden. Weitere Partnerschaften wie diese zwischen Unternehmen der Windindustrie sind erforderlich, um die Lücke zu schließen und Windenergieanlagen zu 100 Prozent recycelbar zu machen.

Darüber hinaus sollten die US-Bundesstaaten politische Mechanismen in Betracht ziehen, um die Marktentwicklung alternativer Lösungen voranzutreiben, z. B. eine erhöhte Herstellerverantwortung, die über die Entsorgung von Rotorblättern von Windkraftanlagen auf Deponien hinausgeht. Die Staaten könnten darüber hinaus Möglichkeiten in Betracht ziehen, den Bau regionaler Recyclinginfrastrukturen zu unterstützen — insbesondere in Staaten mit größeren Windkraftanteilen wie Texas oder Iowa —, um das Nutzungsende von Windturbinenblättern anzugehen.

In den anderen Blogs dieser Serie finden Sie eine Einführung in das Recycling sauberer Energietechnologien sowie zusätzliche Informationen zum Recycling von Sonnenkollektoren und Energiespeicherbatterien.