Wtórne wykorzystanie łopatek turbin wiatrowych w konstrukcjach inżynierskich
Projekt uzyskał finansowanie w konkursie na granty pt. „ISKRA - budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych” realizowanym w ramach Politechnicznej Sieci VIA CARPATIA im. Prezydenta RP Lecha Kaczyńskiego. Kierownikiem projektu jest dr hab. inż. Lidia Buda-Ożóg, prof. PRz z Katedry Konstrukcji Budowlanych na Wydziale Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury Politechniki Rzeszowskiej. Projekt realizowany jest przez zespół badawczy z Politechniki Białostockiej, Politechniki Lubelskiej i Politechniki Rzeszowskiej. Liderem projektu jest Politechnika Rzeszowska.
Zespół badawczy
Politechnika Białostocka: wykonawca wiodący dr hab. inż. Mirosław Broniewicz, wykonawcy: dr Krzysztof Czech, dr Robert Stachniewicz, Filip Broniewicz (doktorant)
Politechnika Lubelska: wykonawca wiodący prof. dr hab. Anna Halicka, wykonawca dr Łukasz Jabłoński
Politechnika Rzeszowska: wykonawca wiodący dr hab. inż. Lidia Buda-Ożóg, prof. PRz, wykonawcy dr inż. Joanna Zięba, dr inż. Michał Jurek, mgr inż. Damian Nykiel
Opis projektu
Turbiny wiatrowe to jedno z bardziej popularnych, zielonych źródeł energii elektrycznej, stosowanych od lat na całym świecie. Standardowy okres eksploatacji turbin wiatrowych wynosi 20-25 lat, a po tym czasie stają się odpadami. WindEurope szacuje, że około 14 000 turbin wiatrowych może zostać wycofanych z eksploatacji do 2023 r., co odpowiada masie 40000–60000 ton. Według badań Barlowa globalnie masa wszystkich śmigieł, które mają zostać wycofane z eksploatacji do 2050 r., może sięgać nawet 43 mln ton. Dane dotyczące skali problemu, jakim są odpady z turbin wiatrowych, szacowane ilości odpadów, ustawodawstwo i normy określające procesy łańcucha wartości oraz procesy techniczne przekształcające je w nowe wartościowe materiały, szeroko przedstawiono w licznych publikacjach. Oceny, inicjatywy i badania dotyczące ponownego wykorzystania łopat turbin wiatrowych prowadzone są m.in. w ramach projektów i konsorcjów takich, jak: IEA Wind Task 45,EoLO-HUBs, Lichenblades and Re-Wind. Również kilku producentów śmigieł turbin wiatrowych połączyło siły z firmami recyklingowymi i producentami materiałów budowlanych, aby przekształcić wycofane śmigła w użyteczne produkty. Takie porozumienia dotyczące recyklingu zawarte między Veolia i GE Renewable Energy w Niemczech, Szwajcarii, Hiszpanii i innych krajach europejskich mają na celu opracowanie sposobów ponownego wykorzystania śmigieł do konstrukcji oraz elementów budowlanych lub ich recyklingu. Materiał, z którego wykonane są śmigła różni się w zależności od producenta, zazwyczaj 80–90% masy stanowi materiał kompozytowy. Od 60% do 70% masy kompozytu składa się z włókien wzmacniających — głównie włókna szklanego i niekiedy włókna węglowego. Żywica polimerowa wiąże włókna w sztywną i stosunkowo lekką stałą matrycę. Żywice stosowane w śmigłach turbin wiatrowych najczęściej są termoutwardzalne i podczas ich utwardzania tworzą się silnie usieciowane polimery, które blokują włókna wzmacniające na miejscu. Dlatego właściwa utylizacja fragmentów łopat turbin wiatrowych wykonanych z kompozytu jest jednym z najtrudniejszych aspektów ze względu na rozmiar komponentów, złożoność recyklingu i niską wartość rynkową. Obecnie naukowcy próbują opracować skuteczne metody oddzielenia żywicy od włókien w celu nadania małym kawałkom nowego życia jako granulki lub płyty. Część łopat spalana jest w piecach tworzących cement lub w elektrowniach, jednak ich wartość energetyczna jest niska i nierówna, a spalane włókno szklane emituje zanieczyszczenia. Wymagania stawiane materiałom stosowanym w łopatach turbin wiatrowych, obciążenia, jakie powinny spełniać, oraz przegląd dostępnych materiałów przedstawiono w wielu pracach naukowych.
Konsorcjum Re-Wind Network skupiające pięć instytucji akademickich – Georgia Institute of Technology, University College Cork, Queen’s University Belfast, City University of New York oraz Munster Technological University, opracowało katalog wykorzystania wycofanych z użycia łopat do platform pływających, budowy mostów i kładek oraz słupów oświetleniowych. W przedstawionych rozwiązaniach wykorzystano skany pięciu wycofanych z eksploatacji łopat turbin wiatrowych. Są to łopatka LM, łopatka z turbiny Vestas, łopatka z turbiny General Electric, łopatka z turbiny Liberty Clipper oraz łopatka z turbiny Siemens Gamesa. W ramach projektu Decom Tools rozpoczętego w 2018 r. i koncentrującego się na fazie likwidacji morskich farm wiatrowych przedstawiono trzy koncepcje ponownego wykorzystania łopat wiatrowych, są to: cementowo-piecowa, piroliza i repurposing. Autorzy raportu wskazują, że o ile wykorzystanie łopatek w procesie produkcji cementu i pirolizy jest już dość dobrze rozpoznane naukowo i stosowane w praktyce, to repurposing nie ma zbyt wielu rzeczywistych zastosowań. Większość prac przedstawionych w raporcie dotyczy wstępnych projektów i wizualizacji obiektów małej architektury oraz ponownego zastosowania łopatek do budowy bariery dźwiękowej.
Duńska firma Miljøskærm zaproponowała nowatorskie zastosowanie wycofanych z eksploatacji śmigieł turbin wiatrowych, przetwarzając materiał, z którego są wykonane na ekrany dźwiękochłonne. Miljøskærm rozdrabnia materiał kompozytowy na małe włókna, które są następnie prasowane w arkusze, tworząc bardzo porowate, a zatem skuteczne ekrany akustyczne. Ekrany z takich elementów zostały przetestowane pod kątem kontroli zanieczyszczenia hałasem na przedmieściach Kopenhagi, skutecznie obniżając poziom hałasu z 61 do 54 dB. Ponadto, jak wykazała przeprowadzona analiza cyklu życia, użycie włókna szklanego do wykonania ekranów akustycznych spowodowało 60% redukcję emisji CO2 i 40% redukcję zużycia energii podczas procesu produkcyjnego w porównaniu z ekranami wykonanymi z aluminium i wełny mineralnej. W Polsce zagadnienia repurposing podjął mgr inż. Andrzej Adamcio z firmy ANMET. Wytrzymałe łopatki turbin wiatrowych firma wykorzystuje do produkcji zewnętrznych mebli oraz kładek i mostów. Efektem współpracy firmy ANMET z Politechniką Rzeszowską było wykonanie kładki z łopaty turbiny wiatrowej typu LM na rzece Szprotawie. Prace badawcze poprzedzające wykonanie kładki prowadzone były na Politechnice Rzeszowskiej pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Tomasza Siwowskiego. Efektem współpracy nawiązanej z firmą ANMET są trzy koncepcje zastosowania zużytych łopatek turbin wiatrowych w konstrukcjach inżynierskich, stanowiące przedmiot wnioskowanego projektu. Koncepcja pierwsza zakłada wykorzystanie elementów z łopatek turbin wiatrowych typu LM i Vestas do wykonania ścianek zabezpieczenia skarp i wykopów. Koncepcja druga zakłada możliwość wykorzystania kształtek uzyskanych z łopat turbin wiatrowych do wykonania posadowienia pośredniego obiektów budowlanych i niskich ścian oporowych, natomiast koncepcja trzecia – opracowanie ekranów dźwiękoszczelnych z wykorzystaniem elementów uzyskanych z łopat turbin wiatrowych. Wszystkie koncepcje wtórnego wykorzystanie łopatek turbin wiatrowych w konstrukcjach inżynierskich łączy ten sam materiał pozyskany z łopatek turbin wiatrowych, analogiczne problemy do rozwiązania w procesie łączenia elementów oraz możliwość wzajemnego aplikowania opracowanych w ramach drugiej koncepcji, rozwiązań dotyczących posadowienia konstrukcji inżynierskich.
Więcej informacji na temat projektu można znaleźć w w publikacji „ISKRA – budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych”.
