Ceci est l’un des quatre blogs d’une série examinant les défis actuels et les opportunités de recyclage des technologies d’énergie propre. Veuillez consulter le billet d’introduction, ainsi que d’autres entrées sur les panneaux solaires et les batteries de stockage d’énergie. Un merci spécial à Jessica Garcia, boursière de la politique d’énergie propre du Midwest de l’Été 2020 de l’UCS, pour son soutien à la recherche et sa co-rédaction de ces articles.
Les éoliennes ont augmenté en taille et en quantité pour répondre aux demandes de capacité d’énergie propre
L’énergie éolienne moderne convertit l’énergie cinétique (mouvement) du vent en énergie mécanique. Cela se produit par la rotation de grandes lames en fibre de verre, qui tournent ensuite un générateur pour produire de l’électricité. Les éoliennes, comme on les appelle, peuvent être situées à terre ou en mer.
L’énergie éolienne devrait continuer à croître aux États-Unis d’ici 2050. Le dernier rapport sur le marché des technologies éoliennes préparé par le Laboratoire national Lawrence Berkeley a révélé que les prix de l’énergie éolienne sont à des niveaux historiquement bas et que pour 2019, 7, 3% de la production d’électricité à l’échelle des services publics aux États-Unis provenait du vent. Dans ce billet de blog, nous examinerons les éoliennes terrestres et les possibilités de recyclage qui existent mais qui ne sont pas encore largement mises en œuvre pour les pales des turbines.
Source: Berkeley Lab Marchés électriques & Politique (https://emp.lbl.gov/wind-energy-growth)
Les conceptions d’éoliennes ont évolué au fil du temps pour augmenter leur taille et leur efficacité, conduisant finalement à une plus grande capacité de production. La conception principale des turbines commerciales aujourd’hui sont des éoliennes à axe horizontal constituées d’un rotor à trois pales en fibre de verre fixées à un moyeu, lui-même fixé à une pièce centrale (la nacelle) montée sur une tour en acier. Diverses autres machines et fondations en béton sont également incluses dans la conception d’éoliennes modernes, qui comprennent plus de 8 000 pièces par turbine.
Les pales d’éoliennes de la flotte américaine existante mesurent en moyenne environ 50 mètres de long, soit environ 164 pieds (environ la largeur d’un terrain de football américain). Et avec les tendances récentes à utiliser des pales plus longues sur de plus grandes turbines et des tours plus hautes pour augmenter la production d’électricité, quelques-unes des plus grandes pales produites aujourd’hui atteignent 60 à 80 mètres de long.
Source: Berkeley Lab, Mise à jour des données sur la technologie de l’énergie éolienne : Édition 2020, Page 37. Notez que le diamètre du rotor (indiqué ici en mètres) est légèrement plus de deux fois la longueur des pales
Photo: James Gignac
En termes de durabilité, les éoliennes durent en moyenne environ 25 ans. Environ 85% des composants de turbine — tels que l’acier, le fil de cuivre, l’électronique et les engrenages — peuvent être recyclés ou réutilisés. Mais les lames sont différentes car elles sont composées de fibre de verre (un matériau composite) pour être légères et efficaces tout en restant suffisamment durables pour résister aux tempêtes. La nature mixte du matériau de la lame rend difficile la séparation des plastiques des fibres de verre pour les recycler en un matériau en fibre de verre utilisable — et la résistance nécessaire aux lames signifie qu’elles sont également physiquement difficiles à briser.
Où finissent les pales d’éoliennes usagées maintenant?
Les pales d’éoliennes doivent être éliminées ou recyclées lorsque les turbines sont mises hors service à l’étape de fin d’utilisation ou lorsque les parcs éoliens sont en cours de modernisation dans le cadre d’un processus appelé repowering. Le repowering implique de conserver le même site et souvent d’entretenir ou de réutiliser l’infrastructure primaire pour les éoliennes, mais de la moderniser avec des turbines de plus grande capacité. Les lames peuvent être remplacées par des lames plus modernes et généralement plus grandes. Quoi qu’il en soit, les pales en fibre de verre, une fois qu’elles ne sont plus nécessaires, posent le plus grand défi aux considérations de fin d’utilisation de l’énergie éolienne.
Bien qu’il soit possible de couper les lames en quelques morceaux sur place lors d’un processus de démantèlement ou de repowering, les pièces restent difficiles et coûteuses à transporter pour être recyclées ou éliminées. Et le processus de coupe des lames extrêmement solides nécessite d’énormes équipements tels que des scies à fil montées sur véhicule ou des scies à fil diamanté similaires à celles utilisées dans les carrières. Parce qu’il y a si peu d’options pour recycler les lames actuellement, la grande majorité de celles qui atteignent la fin d’utilisation sont soit stockées dans divers endroits, soit mises en décharge.
En effet, Bloomberg Green a rapporté plus tôt cette année que des pales d’éoliennes étaient éliminées dans des décharges. Même si le flux de déchets ne représente qu’une infime fraction des déchets solides municipaux américains, ce n’est clairement pas une situation idéale. À mesure que les éoliennes sont mises hors service ou remplacées, il est nécessaire de trouver des solutions de recyclage plus créatives pour les pales usagées.
La bonne nouvelle est que certains efforts sont en cours pour développer des alternatives. Deux grands services publics aux États-Unis, PacificCorp et MidAmerican Energy, par exemple, ont récemment annoncé leur intention de s’associer à la société du Tennessee Carbon Rivers pour recycler certaines des pales de turbine usées par les services publics au lieu de les mettre en décharge. La technologie utilisée par Carbon Rivers est soutenue par des subventions du département américain de l’Énergie et sera utilisée pour décomposer et réutiliser la fibre de verre des aubes de turbine usagées.
Photo: Flickr / Chuck Coker
Innovations émergentes dans le recyclage de la fibre de verre
Bien que la nature composite des aubes de turbine en fibre de verre les rende notoirement difficiles à traiter à la fin de l’utilisation, l’intérêt pour trouver des alternatives peut également stimuler la créativité et l’innovation. Par exemple, un partenariat impliquant des universités américaines, irlandaises et nord-irlandaises appelé Re-wind a développé des idées de projet de génie civil intéressantes pour réutiliser et réutiliser des pales en fibre de verre. Ceux-ci incluent l’utilisation de pales désaffectées dans des projets de génie civil dans le cadre de structures ou de tours de lignes électriques, ou de toits pour des logements d’urgence ou abordables. En Irlande du Nord, Re-wind envisage également de les piloter pour les utiliser dans les ponts piétonniers le long des voies vertes.
Plus bas dans la hiérarchie des déchets, des options de recyclage supplémentaires commencent à émerger. WindEurope, représentant l’industrie éolienne de l’Union européenne, s’associe au Conseil Européen de l’Industrie Chimique (Cefic) et à l’Association Européenne de l’Industrie des Composites (EuCIA) pour développer de nouvelles méthodes de réutilisation des matériaux de pales. Les organisations estiment que 14 000 pales d’éoliennes seront mises hors service au cours des prochaines années rien qu’en Europe. En mai 2020, le consortium a produit Accelerating Wind Turbine Pale Circularity, un rapport complet qui détaille la conception, la recherche et les solutions techniques axées sur le cycle de vie des éoliennes.
Une considération clé pour le recyclage des matériaux composites est de s’assurer que le processus de recyclage a un résultat net positif par rapport à l’alternative de l’élimination dans les décharges. Un exemple vient d’Allemagne, où le concept de recyclage des aubes de turbine en ciment a été développé pour la première fois il y a une dizaine d’années dans le cadre d’une usine construite dans le cadre d’un partenariat entre Geocycle, une unité commerciale de la société de matériaux de construction HolcimAG, et la société Zajons.
Cette forme de recyclage implique le contrôle de la chaîne d’approvisionnement de l’élimination, y compris le sciage des aubes de turbine en petits morceaux sur le site de déclassement pour réduire la logistique et les coûts de transport. Le processus promet un recyclage à 100% et une réduction des émissions de dioxyde de carbone provenant du cotraitement du ciment en remplaçant la production de matières premières de ciment par des pales recyclées, ainsi que l’utilisation de biogaz provenant de restes organiques à la place du charbon comme combustible.
D’autres technologies telles que le recyclage mécanique, la solvolyse et la pyrolyse sont également en cours de développement, ce qui fournira idéalement à l’industrie des options supplémentaires pour manipuler les lames en fibre de verre lorsqu’elles atteindront la fin d’utilisation.
Une autre option de recyclage créative produit des granulés ou des planches qui peuvent être utilisés dans des applications de menuiserie. En 2019, Global Fiberglass Solutions a commencé à produire un produit appelé granulés EcoPoly aux États-Unis et produira bientôt une version à panneaux. Ces produits sont certifiés comme étant recyclés à partir de pales d’éoliennes désaffectées grâce au suivi par identification par radiofréquence (RFID) de la pale au produit final. Les granulés EcoPoly peuvent être transformés en une variété de produits tels que des palettes d’entrepôt, des matériaux de revêtement de sol ou des bornes de stationnement. Sur la base de ses prévisions de demande, Global Fiberglass Solutions prévoit être en mesure de traiter 6 000 à 7 000 pales par an dans chacune de ses deux usines au Texas et en Iowa.
Une approche supplémentaire du problème du recyclage des lames consiste à se concentrer sur la pièce initiale — de quoi sont faites les lames. D’autres recherches et développements envisagent d’utiliser de la résine thermoplastique au lieu de la fibre de verre ou de la fibre de carbone pour les pales d’éoliennes. Le matériau peut être plus facile et moins cher à recycler.
En fin de compte, l’objectif d’accroître l’innovation vers des applications d’utilisation supplémentaires pour les aubes de turbine retirées nécessite une demande suffisante du marché pour encourager la création d’installations capables de recycler les aubes. À côté de ce défi, il y a un manque de politique aux États-Unis. en ce qui concerne les considérations de fin d’utilisation des aubes de turbine, contribuant davantage au statu quo du stockage ou de l’élimination en tant que déchets solides dans les décharges.
Atteindre une recyclabilité à 100% des systèmes d’éoliennes
Comme nous l’avons vu plus haut, il est actuellement moins coûteux d’éliminer les pales d’éoliennes dans la décharge la plus proche plutôt que le transport souvent sur de longues distances requis pour le recyclage dans le nombre limité d’installations capables de les traiter efficacement. En outre, l’industrie souffre actuellement d’un manque de pression réglementaire ou d’incitations du marché pour développer pleinement d’autres options de fin d’utilisation.
Deux approches pour une économie plus circulaire sont une meilleure communication tout au long de la chaîne d’approvisionnement des éoliennes et des objectifs ambitieux. Par exemple, Vestas Wind Systems A / S, une entreprise mondiale de conception, de fabrication et d’installation d’éoliennes, a annoncé un engagement audacieux pour produire des éoliennes zéro déchet d’ici 2040. L’entreprise prévoit y parvenir en augmentant la recyclabilité au cours des 20 prochaines années en travaillant en étroite collaboration avec ses partenaires tout au long de la chaîne d’approvisionnement pour éviter à terme toute incinération ou mise en décharge de ses produits. Plus de partenariats comme ceux-ci entre les entreprises de l’industrie éolienne sont nécessaires pour aider à combler le manque et à rendre les systèmes d’énergie éolienne 100% recyclables.
En outre, les États américains devraient envisager des mécanismes politiques pour stimuler le développement sur le marché de solutions alternatives, telles que des responsabilités accrues des producteurs, au-delà de l’élimination des pales d’éoliennes dans les décharges. Les États pourraient en outre envisager des moyens de soutenir la construction d’infrastructures de recyclage régionales — en particulier dans les États disposant d’une plus grande partie de l’énergie éolienne tels que le Texas ou l’Iowa — pour aborder la phase de fin d’utilisation des pales d’éoliennes.
Veuillez consulter les autres blogs de cette série pour une introduction au recyclage des technologies d’énergie propre, ainsi que des informations supplémentaires sur le recyclage des panneaux solaires et des batteries de stockage d’énergie.