《風能》 | 如何以綠色可持續的方式處理退役葉片？

近年來，我國海上風電發展成績斐然，國家統計局的數據顯示，截至2021年6月底，我國海上風電累計裝機容量達1113.4萬千瓦。有機構和媒體預測，2021年中國海上風電累計裝機容量大概率可超過英國，位居全球第一。然而2022年，我國海上風電的中央財政補貼將全部取消，給“十四五”時期的產業發展帶來一定不確定性。

 

在德國的一個山坡上，帕德伯恩風電場（Paderborn wind farm）的葉片正安靜地旋轉著，狂風和烈日在它們身上留下了歲月的痕跡。這些葉片已經堅守了24年，再過一年，它們的壽命周期行將結束。不對，再有一年，它們或許就會迎來全新的開始。

 

但究竟是怎樣的開始，業界還在探索。

 

于20世紀90年代安裝的第一批風電機組即將退役。據歐洲風能協會（WindEurope）測算，到2025年，歐洲每年約有2.5萬噸葉片等待回收，這相當于2000輛雙層巴士的重量。到2023年，全球范圍內需要回收的風電機組葉片預計會達到4萬——6萬噸。除看重市場利潤，以可持續、可循環的方式實現一個綠色的世界也是眾多企業加大投入開發退役風電機組葉片回收技術的動力。

 

 

葉片的構造極為復雜，主要由玻璃纖維、碳纖維等增強纖維構成（占葉片的60%——70%），這些纖維被環氧樹脂和聚氨酯（PUR）等合成樹脂粘合。由于葉片的材料是不連續的粘合纖維，現有技術難以用一個連續、循環的模式對其進行回收。

 

行業在呼吁各國主管部門為葉片回收制定專門的廢棄物法規，以區別于一次性塑料、微塑料等廢棄物，確保其擁有單獨的分類，并能逐步形成單一清潔復合材料的廢物處理產業鏈，從而提高處理效率。

 

不可否認的是，在現階段，大部分退役葉片的歸宿是垃圾填埋場。這是最簡單粗暴的處理方式，沒有任何材料能被回收，還會造成大量污染。這不符合葉片被制造的初衷?創造綠色、可持續發展的未來，沒有人愿意選擇這種方式去結束葉片的一生。德國、奧地利、荷蘭、芬蘭等國家，更是禁止填埋或焚化復合材料。

 

藝術家和設計師可以結合創意性加工讓葉片進入游樂場，成為滑梯和軌道，或者進入公園為人們提供休憩的場所。不過，這種幸福的“養老模式”僅存在于少數示范項目，不可能成為未來大規模葉片退役問題的解決方案。

 

很多企業則嘗試通過水泥窯工藝、機械研磨、流化床熱解、溶劑分解或高壓脈沖破碎等技術或技術組合將葉片回收處理為其他材料。隨后，新材料可以用于制造汽車零部件、滑雪板，甚至是浴缸。

 

然而，只有成本降到足夠低，某種回收模式才可以在業內得到推廣。否則，一切只能是空談。

 

總部位于美國田納西州的企業Carbon Rivers 回收包括風電機組葉片在內的所有廢舊復合材料，利用熱解法以不連續的形式提取其中的玻璃纖維。該公司的初始項目，獲得了美國能源部提供的125萬美元（約合人民幣809.6萬元）的小企業創新研究（Small Business Innovation Research）資助。這家企業的目標是，在未來幾年內建成可日處理200噸回收材料的設施，并且實現商業化。

 

對于退役葉片，除了提取可利用的材料這種方式，還能夠通過添加新材料使其擁有新屬性，改造后的葉片更容易被回收。

 

英國劍橋納米材料技術有限公司（Cambridge Nanomaterials Technology Ltd.）參與了歐盟資助的“地平線 2020”（ Horizon2020）項目。該項目旨在研發用于葉片的新材料，并回收工業廢料。這家企業負責其中的一個分支項目?Repair3D，將納米顆粒添加到葉片或飛機的復合材料中，以此制造更加強韌的3D打印產品，如滑雪靴和汽車零部件。該公司董事Bojan O. Boskovic 表示，“納米顆粒的優勢包括重量輕、具備導電性，還可以形成表面保護等”，因此，將它們添加到材料中，提升了退役葉片再利用的價值。

 

另一個由歐盟資助980萬歐元（約合人民幣7484.6萬元）的研究項目是FiberEUse，自2017年以來一直在為航空航天和風電等行業大量應用的復合材料開發可循環回收利用產業鏈。項目合作伙伴包括西門子歌美颯、Head和AERnnova等企業。

 

該項目旨在通過機械回收技術，將葉片粉碎和分離得到顆粒，用于嵌入滑雪板、家具和淋浴盤。它還研究熱回收，將長纖維嵌入汽車和建筑行業的產品中。項目協調員Marcello Colledani表示：“項目合作伙伴開發出的二氧化碳輔助熱解技術，比傳統熱解技術更具經濟競爭力，因為它可以收集纖維和樹脂的副產物，經過進一步加工能獲得可二次利用的樹脂。”他強調，熱解技術的成本比機械回收高很多，因此，若是僅僅用于回收價值較低的玻璃纖維材料，并不具備經濟價值。

 

Colledani 分析了各種處理方式的成本。機械回收處理材料的成本通常為0.12歐元/千克，傳統熱解的成本為7——9歐元/千克，采用二氧化碳輔助熱解技術處理的成本約為1歐元/千克。FiberEUse項目的目標是利用新技術處理至少20%的玻璃纖維和碳纖維，分離出來的材料用于制造汽車的結構部件，但在提高技術成熟度和降低成本方面還有很長的路要走。

 

按照彭博新能源財經（BNEF）的說法，目前唯一具有經濟可行性的方法是將葉片內的玻璃纖維回收用于制造水泥，這可以將水泥行業的碳足跡減少16%以上。

 

 

Veolia公司回收葉片造水泥

 

 

也有企業和機構將目光鎖定在葉片的研發環節，希望通過應用新材料降低葉片回收的難度。

 

英國海上可再生能源技術創新和研究中心（ORE Catapult）正在研究用于新型葉片的熱塑性塑料和生物材料。來自生物的纖維，如甘蔗、甜菜、木材或竹子，都可能成為制造葉片的材料。據悉，在中國河北省的張北地區和山東省的河口地區，有風電場使用由竹子纖維制成的陸上風電機組葉片，已經運行多年。

 

 

維斯塔斯依托熱固性環氧樹脂復合材料循環經濟項目（Circular Economy for Thermosets Epoxy Composites），開發了一種新型環氧樹脂， 由可回收的原材料制成， 能夠在回收后再次用于風電葉片的制造。“我們的目標是在未來三年內開發出一種可以規模化使用的樹脂合成材料。”該公司的項目負責人Allan Korsgaard Poulsen 表示，“這項技術在相對溫和的條件下使用溶劑分解技術（solvolysis）分解葉片，這意味著纖維能最大限度地保留原始的強度。”

 

位于蘇格蘭國家制造研究所的輕量級制造中心（Lightweight Manufacturing Centre）也在開展一個研究項目，專注于使用木漿和可回收塑料等可持續資源生產新的葉片材料。

 

加利福尼亞州大學伯克利分校（University of Berkeley）與中國的華南理工大學正在研究壽命周期結束后可降解的新型樹脂材料，已經對具有觸發降解性的熱固性樹脂展開了初步研究。Arkema和Aditya等生產商在可化學回收生產不同形式塑料的樹脂開發方面更是領先一步，首個使用Elium（Arkema開發的熱塑性樹脂）的葉片預計將于2021年10月投入生產。

 

總部位于愛丁堡的ACTBlade 公司開發出一種超輕型風電機組葉片，與傳統葉片相比，新型葉片的長度增加了10%。該公司的項目負責人表示，這項設計使用了較少的傳統復合材料，由于結構更小、更薄，產生的廢料更少，生產成本比傳統方式低30%左右。目前，英國海上可再生能源技術創新和研究中心正在對新型葉片開展測試，預計可在2022年年底實現商業化生產。