W listopadzie 2020 roku w Scientific American pojawiła się wzmianka , że firma Arkema (w branży tworzyw sztucznych firma znana z produkcji tworzyw technicznych) oraz NREL (National Renewable Energy Laboratory, USA) chcą wytworzyć recyklingowalne łopaty turbin wiatrowych[1]. Technologia bazująca na żywicy Elium a została opracowana przez Arkemę już w 2017 roku[2] i co ciekawe, powstało już nawet pierwsze wdrożenie, które będziecie mogli obejrzeć w dalszej części artykułu.
Kilka słów o problemie z łopatami turbin wiatrowych
Łopaty turbin wiatrowych są na dzień dzisiejszy zbudowane kompozytów składających się ze zbrojenia (włókno szklane lub/i węglowe w postaci ciągłej, balsa) zatopionych w osnowie (żywica epoksydowa). Żywica epoksydowa jest zaliczana do duroplastów, tworzyw, w których na skutek działania utwardzacza (związku inicjującego reakcję) oraz/lub temperatury ulega utwardzeniu (sieciowaniu, tworząc trójwymiarową, wytrzymałą strukturę w postaci sieci łańcuchów).
Proces produkcji zakłada przesycenie włókien żywicą (wprowadzenie żywicy między włókna przy użyciu podciśnienia), która przed sieciowaniem jest w stanie ciekłym. Po usieciowaniu staje uzyskujemy strukturę, która jest trwała i nie nadaje się do ponownego wykorzystania.
Arkema proponuje Elium
Żeby rozwiązać ten problem firma Arkema zaproponowała żywicę termoplastyczną o nazwie Elium. Tak, dokładnie, jest to żywica, która po utwardzeniu będzie wciąż nadawała się do ponownego przetwórstwa, gdyż na skutek podwyższonej temperatury tworzywo ulegnie stopieniu (duroplasty w podwyższonej temperaturze ulegają degradacji i spaleniu, nie topią się).
W tym wypadku zamiast (prawdopodobnie) reakcji sieciowania następuje reakcja polimeryzacji rodnikowej z wykorzystaniem inicjatora reakcji (Luperox – nadtlenek di-tert-butylu[2]), która de facto wtedy “produkuje tworzywo”. Wcześniej żywica składa się z dużo krótszych łańcuchów polimerów lub oligomerów, dzięki czemu ma niską lepkość i może wpłynąć między włókna kompozytu.
Niestety nie mam możliwości weryfikacji jaką strukturę wewnętrzną ma ta żywica, niemniej wg karty katalogowej da się ją termoformować, a wg informacjize strony producenta zmielone tworzywo formować metodą wtryskiwania[2,3]
Czy Elium jest w stanie zastąpić żywicę epoksydową?
W tym miejscu (pomijając aspekty finansowe) należałoby porównać właściwości mechaniczne. Poniżej przygotowałem podstawowe zestawienie właściwości osnowy oraz kompozytu (to ostatnie jest mniej miarodajne, gdyż sporo zależy od sposobu przygotowania laminatu, rodzaju włókna itd.).
Na podstawie przedstawionej tabeli widać, że właściwości mechaniczne żywicy termoplastycznej (po przejrzeniu kart charakterystyki wychodzi na to, że jest to termoplastyczna żywica akrylowa[6]) są lepsze niż żywicy epoksydowej. Niestety, w wyprodukowanym kompozycie o ile wytrzymałość na rozciąganie jest taka sama, o tyle moduł sztywności jest 3-krotnie niższy. Prawdopodobnie jest to jeden z powodów utrudniających produkcję łopat wirników, od których obok wytrzymałości oczekuje się odpowiedniej sztywności, która jest istotna w przypadku drgań na skutek działania wiatru (nie czuję się w tym polu ekspertem, niemniej sztywność wpływa na drgania konstrukcji).
Inną przyczyną może być kwestia płynięcia materiału oraz odporności zmęczeniowej laminatów bazujących na Elium (nie posiadają usieciowanej struktury, więc prawdopodobnie są na te efekty bardziej wrażliwe, chociaż z drugiej strony obciążenie jest przenoszone przez zbrojenie).
Jak recyklingować żywicę Elium?
Ze względu na wspomnianą termoplastyczność tworzywo to nadaje się do ponownego przetwórstwa. Jednak sprawa okazuje się być zdecydowanie ciekawsza.
Jako, że Elium jest żywicą akrylowa, to dodanie jej w postaci zmielonej do konwencjonalnych termoplastów będzie ograniczone, gdyż głównym termoplastem akrylowym jest poli(metakrylan metylu) (PMMA) – czyli popularne “pleksi”, które jest stosunkowo kruche i ma zastosowanie przede wszystkim jako element optyczny/przezroczysty.
Z drugiej jednak strony właściwości zmielonego kompozytu mają bardzo dobre właściwości mechaniczne i samodzielnie nadają się do przetwórstwa metodą wtryskiwania.
Co ciekawe, firma Arkema opracowała również metodę depolimeryzacji polegającej na rozłożeniu zmielonej żywicy do monomerów, dzięki czemu możliwy jest odzysk żywicy oraz włókien (teoretycznie zmielonych, może istnieje metoda odzyskania w jakiś sposób tkanin). Poniżej możecie zobaczyć film przedstawiający obydwa rozwiązania.
Jaki jest stan prac nad recyklingowalnymi łopatami?
Informacje przedstawione przez Scientific American[1] sugerują, że trwają prace nad wyprodukowaniem tego typu łopat wirników. Na stronie Arkemy znajduje się jednak informacja, że udało się już wyprodukować łopaty o długości 25 m we współpracy z konsorcjum Effwind. Co jest jeszcze ciekawsze, prototyp ten został wykonany w 2018 roku! Poniżej możecie obejrzeć film przedstawiający proces powstawania takiej łopaty[3].
Oprócz tego we współpracy z RT M2P Technological Research Institute w Metz opracowano dedykowaną technologię pultruzji (przeciągania) do produkcji prętów zbrojeniowych dla budownictwa, a także profili okiennych[3].
Podsumowanie
Dopracowanie technologii produkcji łopat turbin wiatrowych z wykorzystaniem żywicy termoplastycznej stanowi rozwiązanie problemu składowania setek tys. ton zużytych łopat – jest to istny Święty Graal tej branży. Produkcja łopat, które po określonym czasie mogą być podane rozsądnemu, ponownemu przetwórstwu jest wg mnie na wyciągnięcie ręki, szczególnie, że w wrześniu 2020 roku zostało zawiązane konsorcjum mające na celu uzyskanie w 100% recyklingowalnych łopat turbin wiatrowych[7].
Nie pozostaje nic innego jak trzymać kciuki za pozytywne zakończenie prac badawczo-wdrożeniowych 🙂
Literatura
- [1] https://www.scientificamerican.com/article/new-wind-turbine-blades-could-be-recycled-instead-of-landfilled/
- [2] https://cstjmateriauxcomposites.files.wordpress.com/2017/11/elium_150_tech_data_sheet_grp_160908.pdf
- [3] https://www.arkema.com/global/en/products/product-finder/product-range/incubator/elium_resins/
- [4]https://www.hexion.com/CustomServices/PDFDownloader.aspx?type=tds&pid=83b88d44-5814-6fe3-ae8a-ff0300fcd525
- [5] Alok K. Srivastava a , Vidit Gupta b , Chandra S. Yerramalli c , Aparna Singh b,*, Flexural strength enhancement in carbon-fiber epoxy composites through graphene nano-platelets coating on fibers, Composites Part B: Engineering Volume 179, 15 December 2019, 107539
- [6] https://www.b2bcomposites.com/msds/atofina/626572.pdf
- [7] https://www.gupta-verlag.com/news/industry/24771/arkema-project-for-the-development-of-recyclable-wind-turbine-blades
