Este es uno de los cuatro blogs de una serie que examina los desafíos y oportunidades actuales para el reciclaje de tecnologías de energía limpia. Consulte la publicación introductoria, así como otras entradas sobre paneles solares y baterías de almacenamiento de energía. Un agradecimiento especial a Jessica García, Becaria de Políticas de Energía Limpia del Medio Oeste del Verano 2020 de UCS, por el apoyo a la investigación y la coautoría de estos artículos.
Las turbinas eólicas han aumentado en tamaño y cantidad para satisfacer las demandas de capacidad de energía limpia
La energía eólica moderna convierte la energía cinética (movimiento) del viento en energía mecánica. Esto sucede a través del giro de grandes cuchillas de fibra de vidrio, que luego hacen girar un generador para producir electricidad. Los aerogeneradores, como se les conoce, se pueden ubicar en tierra o en alta mar.
Se proyecta que la energía eólica continuará creciendo en todo Estados Unidos para 2050. El último Informe del Mercado de Tecnologías Eólicas preparado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley encontró que los precios de la energía eólica están en mínimos históricos, y para 2019, el 7,3 por ciento de la generación de electricidad a escala de servicios públicos en los EE. En esta entrada de blog, examinaremos las turbinas eólicas terrestres y las oportunidades de reciclaje que existen, pero que aún no se han implementado ampliamente para las palas de las turbinas.
Fuente: Política de Mercados Eléctricos de Berkeley Lab & (https://emp.lbl.gov/wind-energy-growth)
Los diseños de aerogeneradores han evolucionado con el tiempo para aumentar su tamaño y eficiencia, lo que en última instancia conduce a una mayor capacidad de generación. El diseño principal de las turbinas comerciales de hoy en día son turbinas eólicas de eje horizontal que consisten en un rotor con tres palas de fibra de vidrio unidas a un cubo, que a su vez está unido a una pieza central (la góndola) que está montada en una torre de acero. Varias otras máquinas y cimientos de hormigón también se incluyen en el diseño moderno de turbinas eólicas, que incluyen más de 8.000 piezas por turbina.
Palas de aerogeneradores en la flota actual de Estados Unidos tienen un promedio de alrededor de 50 metros de longitud, o aproximadamente 164 pies (aproximadamente el ancho de un campo de fútbol de Estados Unidos). Y con las tendencias recientes de usar palas más largas en turbinas más grandes y torres más altas para aumentar la producción de electricidad, algunas de las palas más grandes producidas hoy en día alcanzan los 60-80 metros de longitud.
Fuente: Berkeley Lab, Actualización de Datos de Tecnología de Energía Eólica: Edición 2020, Página 37. Tenga en cuenta que el diámetro del rotor (que se muestra aquí en metros) es ligeramente más del doble de la longitud de las palas
Foto: James Gignac
En términos de durabilidad, las turbinas eólicas duran una media de unos 25 años. Alrededor del 85 por ciento de los materiales de los componentes de la turbina, como el acero, el alambre de cobre, la electrónica y los engranajes, se pueden reciclar o reutilizar. Pero las cuchillas son diferentes, ya que están hechas de fibra de vidrio (un material compuesto) para ser livianas y eficientes, pero lo suficientemente duraderas como para soportar tormentas. La naturaleza mixta del material de la cuchilla hace difícil separar los plásticos de las fibras de vidrio para reciclarlos en un material de fibra de vidrio viable, y la resistencia necesaria para las cuchillas significa que también son físicamente difíciles de romper.
¿Dónde terminan ahora las palas de turbina eólica usadas?
Las palas de los aerogeneradores deben desecharse o reciclarse cuando las turbinas se desmantelan al final de su uso, o cuando los parques eólicos se están modernizando en un proceso conocido como repotenciación. La repotenciación implica mantener el mismo sitio y, a menudo, mantener o reutilizar la infraestructura primaria para turbinas eólicas, pero actualizarla con turbinas de mayor capacidad. Las cuchillas pueden ser reemplazadas por cuchillas más modernas y típicamente más grandes. De cualquier manera, las cuchillas de fibra de vidrio, una vez que ya no se necesitan, representan el mayor desafío para las consideraciones de fin de uso para la energía eólica.
Si bien es posible cortar las cuchillas en algunas piezas en el sitio durante un proceso de desmantelamiento o repotenciación, las piezas siguen siendo difíciles y costosas de transportar para su reciclaje o eliminación. Y el proceso de cortar las cuchillas extremadamente fuertes requiere un equipo enorme, como sierras de alambre montadas en vehículos o sierras de alambre de diamante similares a las que se usan en las canteras. Debido a que actualmente hay muy pocas opciones para reciclar las cuchillas, la gran mayoría de las que llegan al final de su uso se almacenan en varios lugares o se llevan a vertederos.
De hecho, Bloomberg Green informó a principios de este año sobre palas de turbinas eólicas que se desechaban en vertederos. A pesar de que el flujo de residuos representa solo una pequeña fracción de los residuos sólidos municipales de EE.UU., claramente no es una situación ideal. A medida que los aerogeneradores se retiran o reemplazan, surge la necesidad de soluciones de reciclaje más creativas para palas usadas.
La buena noticia es que se están realizando algunos esfuerzos para desarrollar alternativas. Dos grandes empresas de servicios públicos en los Estados Unidos, PacificCorp y MidAmerican Energy, por ejemplo, han anunciado recientemente planes de asociarse con la compañía de Tennessee Carbon Rivers para reciclar algunas de las palas de turbina gastadas en servicios públicos en lugar de depositarlas en vertederos. La tecnología utilizada por Carbon Rivers está siendo apoyada a través de subvenciones del Departamento de Energía de los Estados Unidos y se utilizará para descomponer y reutilizar la fibra de vidrio de las palas de turbina usadas.
Foto: Flickr / Chuck Coker
Innovaciones emergentes en el reciclaje de fibra de vidrio
Si bien la naturaleza compuesta de las palas de turbina de fibra de vidrio hace que sean notoriamente difíciles de tratar en la etapa final de uso, el interés en encontrar alternativas también puede estimular la creatividad y la innovación. Por ejemplo, una asociación que involucró a universidades de Estados Unidos, Irlanda e Irlanda del Norte llamada Re-wind desarrolló algunas ideas interesantes de proyectos de ingeniería civil para reutilizar y reutilizar cuchillas de fibra de vidrio. Estos incluyen el uso de palas desmontadas en proyectos de ingeniería civil como parte de estructuras o torres de líneas eléctricas, o techos para viviendas de emergencia o asequibles. En Irlanda del Norte, Re-wind también está considerando pilotarlos para su uso en puentes peatonales a lo largo de vías verdes.
Más abajo en la jerarquía de residuos, están empezando a surgir opciones de reciclaje adicionales. WindEurope, en representación de la industria eólica de la Unión Europea, se ha asociado con el Consejo Europeo de la Industria Química (Cefic) y la Asociación Europea de la Industria de Compuestos (EuCIA) para desarrollar nuevos métodos para reutilizar materiales de cuchillas. Las organizaciones estiman que en los próximos años se retirarán 14.000 palas de aerogeneradores solo en Europa. En mayo de 2020, el consorcio produjo Accelerating Wind Turbine Blade Circularity, un informe exhaustivo que detalla el diseño, la investigación y las soluciones técnicas centradas en el ciclo de vida de los aerogeneradores.
Una consideración clave para el reciclaje de materiales compuestos es garantizar que el proceso de reciclaje tenga un resultado neto positivo en comparación con la alternativa de eliminación en vertederos. Un ejemplo proviene de Alemania, donde el concepto de reciclaje de álabes de turbina en cemento se desarrolló por primera vez hace aproximadamente una década a través de una planta construida bajo una asociación entre Geocycle, una unidad de negocios de la corporación de materiales de construcción HolcimAG, y la empresa Zajons.
Esta forma de reciclaje implica el control de la cadena de suministro de eliminación, incluido el aserrado de las palas de la turbina en piezas más pequeñas en el sitio de desmantelamiento para reducir la logística y los costos de transporte. El proceso promete un reciclaje del 100 por ciento y reducciones en las emisiones de dióxido de carbono del coprocesamiento de cemento mediante la sustitución de la producción de materias primas de cemento por cuchillas recicladas, además del uso de biogás a partir de restos orgánicos en lugar del carbón como combustible.
También se están desarrollando otras tecnologías, como el reciclaje mecánico, la solvólisis y la pirólisis, que idealmente proporcionarán a la industria opciones adicionales para manipular cuchillas de fibra de vidrio cuando lleguen al final de su uso.
Otra opción de reciclaje creativa produce pellets o tableros que se pueden usar en aplicaciones de carpintería. En 2019, Global Fiberglass Solutions comenzó a producir un producto llamado pellets EcoPoly en los Estados Unidos y pronto producirá adicionalmente una versión de panel. Estos productos están certificados como reciclados de palas de aerogeneradores retiradas de servicio mediante el seguimiento de identificación por radiofrecuencia (RFID) desde la pala hasta el producto final. Los pellets EcoPoly se pueden transformar en una variedad de productos, como paletas de almacén, material para pisos o bolardos de estacionamiento. En base a sus previsiones de demanda, Global Fiberglass Solutions prevé poder procesar de 6.000 a 7.000 cuchillas por año en cada una de sus dos plantas en Texas y Iowa.
Un enfoque adicional para el problema del reciclaje de cuchillas es centrarse en la pieza inicial, de qué están hechas las cuchillas. La investigación y el desarrollo adicionales están estudiando el uso de resina termoplástica en lugar de fibra de vidrio o fibra de carbono para palas de turbinas eólicas. El material puede ser más fácil y barato de reciclar.
Al final, el objetivo de aumentar la innovación hacia aplicaciones de uso adicional para palas de turbina retiradas requiere tener suficiente demanda del mercado para incentivar la creación de instalaciones que puedan reciclar las palas. Junto a ese desafío hay una falta de política en los Estados Unidos. por lo que respecta a las consideraciones de fin de uso de las palas de turbina, que contribuyen aún más al statu quo del almacenamiento o la eliminación como residuos sólidos en vertederos.
Lograr una reciclabilidad del 100% de los sistemas de turbinas eólicas
Como se mencionó anteriormente, actualmente es menos costoso desechar las palas de las turbinas eólicas en el vertedero más cercano en lugar del transporte a larga distancia que a menudo se requiere para reciclar en el número limitado de instalaciones que pueden procesarlas de manera eficiente. Además, la industria adolece actualmente de una falta de presión reglamentaria o de incentivos de mercado para desarrollar plenamente otras opciones de fin de uso.
Dos enfoques para una economía más circular son una mayor comunicación a lo largo de la cadena de suministro de turbinas eólicas y objetivos ambiciosos. Por ejemplo, Vestas Wind Systems A/S, una empresa de diseño, fabricación e instalación global de turbinas eólicas, anunció un compromiso audaz de producir turbinas eólicas de cero residuos para 2040. La compañía planea lograr esto aumentando la reciclabilidad en los próximos 20 años a través de una estrecha colaboración con sus socios a lo largo de la cadena de suministro para evitar, en última instancia, la incineración o el vertido de sus productos. Se necesitan más asociaciones como estas entre empresas de la industria eólica para ayudar a llenar el vacío y hacer que los sistemas de energía eólica sean 100 por ciento reciclables.
Además, los Estados de los Estados Unidos deberían considerar mecanismos de política para impulsar el desarrollo en el mercado de soluciones alternativas, como el aumento de las responsabilidades de los productores, más allá de la eliminación de palas de turbinas eólicas en vertederos. Además, los Estados podrían contemplar formas de apoyar la construcción de infraestructura regional de reciclaje, particularmente en estados con porciones más grandes de energía eólica, como Texas o Iowa, para abordar la etapa de fin de uso de palas de turbinas eólicas.
Consulte los otros blogs de esta serie para obtener una introducción al reciclaje de tecnologías de energía limpia, así como información adicional sobre el reciclaje de paneles solares y baterías de almacenamiento de energía.