Исследователи из Китая применили метод быстрой джоулевой тепловой обработки, нагревая старые лопасти ветрогенераторов до 2000°C за считанные секунды. Такой подход позволяет превратить трудно перерабатываемый композитный материал в карбид кремния и графен. Новая технология снижает выбросы парниковых газов и превращает отходы в ценное сырье.
Проблема износа ветрогенераторов
Ветроэнергетика развивается во всем мире как один из наиболее масштабных и экономичных инструментов борьбы с изменением климата. Лопасти турбин проектируются так, чтобы выдерживать предельные нагрузки, включая штормовые порывы ветра, ультрафиолетовое излучение, экстремальные температуры и даже прямые удары молнии. Срок службы таких конструкций обычно составляет около 20 лет, как отмечает Бин Ден из Университета Цинхуа в Китае.
Хотя от 85 до 90 процентов общей массы ветрогенератора поддается переработке, сами лопасти изготавливаются из армированного стекловолокном пластика и полимерных смол, богатых углеродом. Из-за этого материалы плохо поддаются традиционным методам утилизации. Большинство выведенных из эксплуатации элементов отправляется на захоронение в полигоны или сжигается.
В Европе ежегодный объем отходов от списанных лопастей вырастет с 20 000 тонн в 2025 году до 55 000 тонн к 2030 году. Европейская ассоциация ветроэнергетики WindEurope ввела добровольный запрет на захоронение таких отходов на полигонах и добивается закрепления этого правила в официальном законодательстве Европейского союза.
Технология термической обработки
Группа ученых из Университета Цинхуа опубликовала в научном журнале Chem Circularity результаты исследования нового способа утилизации. Исследователи подвергли обломки лопастей воздействию кратковременного мощного импульса тепла.
Применение метода быстрой джоулевой тепловой обработки позволяет нагреть отходы примерно до 2000°C (3632°F) всего за несколько секунд. В условиях столь экстремального нагрева кремнийсодержащее стекловолокно и углеродный полимер вступают в химическую реакцию. В результате образуется карбид кремния, а оставшиеся атомы углерода реорганизуются в графен.
Применение полученных материалов
Полученную смесь карбида кремния и графена можно добавлять в свежие полимерные смолы, используемые для создания новых роторных лопастей. Добавление всего 0,3 процента переработанного материала по весу повышает жесткость смолы и увеличивает ее сопротивление деформации под действием натяжения на 27 процентов, а при изгибе — на 9 процентов.
Концентрация добавки в размере 0,1 процента по весу увеличивает показатель тепловой диффузии смолы на 41 процент, позволяя теплу рассеиваться значительно быстрее. Бин Ден охарактеризовал этот процесс как апсайклинг, превращающий бросовые компоненты в ценные ресурсы с улучшенными механическими и тепловыми характеристиками.
Экономические и экологические показатели
Традиционные методы вторичной переработки композитных отходов требуют серьезных финансовых затрат и сопровождаются большим углеродным следом. Пиролиз обходится примерно в 460 долларов за тонну, а химическое растворение требует около 1800 долларов за тонну.
Новая методика позволяет сократить выбросы парниковых газов на 83–92 процента по сравнению с традиционными методами. Исследовательская группа работает над масштабированием процесса для внедрения в промышленность и изучает возможность адаптации технологии для аэрокосмической, автомобильной и электронной отраслей.
Исследования лопастей в университете
Турбина была первоначально установлена в Нидерландах в 1994 году, модернизирована и приобретена кооперативом в 2007 году, после чего проработала в штате Миннесота до конца 2025 года. Профессор механической инженерии Сурожит Гупта использует донацию для исследования того, как лопасти ветрогенераторов разрушаются со временем, и изучения методов переработки их материалов.
По теме
