矢量复合增强织物
图中提供了到2019年(但不是之后)安装的现有风叶片的EOL叶片材料的最大和最小吨位估计数。

图1。该图提供了在整个世界(Global),美国和欧洲(欧洲联盟)(欧洲联盟)中安装到2019年的(但不是之后)的现有风刀片的最大和最小吨位的估计。最大方案基于最短的使用寿命,15年,以及更高的14T / MW刀片转换因子。最小情况是基于30年的最长的使用寿命和10 T / MW叶片转换因子。预测基于总叶片质量。所有数字信用:埃默马德国QUB(重新通网络)

最近出现了一些杂志和杂志文章,这些论文已经解决了风力涡轮机刀片的问题“浪费”。这些文章中提出的大部分证据都被认为是在作者的意见中过于投机。由此开展的工作Re-Wind网络团队提高了六个关键问题,以讨论叶片生命叶(EOL)。这些包括如何定义风力涡轮机的寿命结束;回收是什么意思;引用的时间框架;质量和批量转换问题;吨位的定义;和位置。我们讨论了这些问题以及对预测未来叶片浪费和循环潜力的影响。

风力涡轮机通常设计用于20年的使用寿命。截至2019年底,只有12,149兆瓦(MW)达到了20年的使用寿命(即,那些最多2000年的人)。常见假设是一个MW转化为10吨(10,000千克)的转子叶片材料,其给出121,490吨作为EOL 2019风力涡轮机的估计数。然而,到2019年,全球风电场产能达到652,190兆瓦(652千兆瓦(GW),转化为目前在服务中的6,521,900吨刀片材料)。

在2000年以前,安装的涡轮机的平均容量是1兆瓦。因此,预计到2019年将有12149台涡轮机退役。这意味着全球约有36447个刀片已达到使用寿命。不幸的是,关于退役刀片的实际数量的数据很少。对于2000年至2019年安装的刀片,可以对未来的EOL场景进行预测。这些通常是基于上述20年使用寿命和10吨/兆瓦的假设。然而,由于以下几个原因,这些假设可能是非常不正确的。

生命结束(EOL)是什么意思?

我们将EOL定义为“the时间在这种情况下,叶片不再在原来的涡轮上发挥原有的功能。”它实际上可能指以下任何一个“时间”:

设计寿命终止(EODL)和通过许可延长寿命:许多能源提供者或当地的市政当地通过通过本地立法将现有涡轮机的使用寿命延长,以将涡轮机(叶片本身)从原始20年延长到30甚至40年而没有变化涡轮或刀片。许多风电场在构建时收到了20年的运营许可证,或者在没有指定的到期日的许可证。在这种情况下,刀片继续为其原始功能提供服务。

通过改装eodl和延伸生命:许多涡轮机和刀片OEM正在促进改装和再制造以延长叶片的寿命。这通常用刀片长度增加或涡轮机升级包装,以增加涡轮机的功率输出。这通常还需要额外的许可证。在这种情况下,刀片继续为其原始功能提供服务。

功能生活结束(EOFL)和退役,拆除和重新交锋:当激励措施到位时,许多能源供应商会选择“重新发电”他们的风力发电场。在这种情况下,叶片从涡轮机中移除,进入废物流或回收行业。在许多国家,为风力发电场提供电力的激励措施(通常是税收减免)与完全新建的风力发电场是一样的。

eofl和拆除由于在职造成的损坏:由于雷击,结构恶化,前沿侵蚀,设计和制造错误以及其他不可预见的事件必须删除并提前更换。

位置寿命(EOLL)和退役,拆卸,拆除使用(二手)涡轮机市场:风力涡轮机所有者(风电场所有者或个人的离网主)可以拆除其涡轮机并拆下其未损坏的刀片,并尝试在二手市场上转售它们,以便在其他地方的备件中使用,或者通过新所有者重新安装调节可能不严格的新位置。

EOLL和放弃:虽然整个风电场没有找到任何证据,但有一些证据表明老牌,第一代(20世纪80年代和20世纪80年代)的小单独涡轮机不再运作,并且已被遗弃。

eoll和stockpiling:许多退役的承包商目前正在囤积叶片,希望未来能有成本效益高的回收方案,或者在没有垃圾填埋方案的地方。

回收是什么意思?

我们在循环经济的背景下将回收定义为“在新产品中重用刀片材料”。事实上,该术语可以用于以下任何百分比的材料重用百分比:

刀片废弃物处置:事实上,这是极端的“回收”条件 - 没有回收 - 无论是垃圾填埋场还是废物焚烧植物。填埋有0%的重用值。然而,在许多情况下,焚烧叶片废物,从有机材料(聚合物和BALSA木材)的燃烧中回收能量。通过大多数定义,能量恢复或气化不称为回收,包括上面的定义,并且通常被认为是环境有害的。许多司法管辖区已禁止填埋,由于污染和土地利用影响而限制焚烧。然而,这是目前由于其低成本而优选的方法。没有纤维,没有聚合物再循环。

叶片尺寸减小和组成材料重用:当纤维材料或聚合物材料通过热解法、热解法、溶解法、流化床、高压脉冲破碎法或其他较新的技术进行回收时,许多人将部分回收称为回收。大多数目前安装的风力涡轮机叶片是用玻璃纤维和聚酯或环氧树脂制造的。一些叶片还含有少量碳纤维,以增加其结构性能。如果只回收了纤维,那么这些过程的回收率约为50%(假设纤维在复合材料中的质量分数为50%)。目前回收聚合物单体用于新聚合物再合成的工艺还处于实验阶段。这一类包括在水泥窑内的共同处理(即热解法),在生产水泥熟料时,纤维化学成分是用来代替原始的、开采的材料,例如沙子、粘土和石灰石。高分子材料提供能量回收。由于碳对熟料的负面影响,含有碳纤维的叶片不能协同加工。协同处理还能产生50%的回收率。

叶片尺寸缩小及复合材料再利用:当复合材料被回收时,许多人将部分回收称为回收机械再循环。这意味着材料的尺寸(切碎,切割和研磨到小颗粒),并以不同的形式作为填料重复使用或作为混凝土,增强塑料或其他产品的增强物。在这种情况下,估计由于处理中的材料损耗,实现了约80%的回收率。

为结构重用而重新使用刀片:完全回收是在其他基础设施,建筑物或建筑产品中重新修复整个风叶片或刀片的大部分叶片,建筑物或建筑产品。这利用刀片独特的结构和建筑属性。在这种情况下,100%的复合材料(纤维和聚合物材料)被再循环。

需要指出的是,此时只有水泥窑的协同处理和机械回收才具有可操作的规模。然而,这些过程的经济可行性仍然存在问题。

可以从垃圾填埋场或焚化炉转移的材料数量的估计。

图。2。该图估计可以根据用于将叶片复合材料转换为可用的“二生命”产品在循环经济中的不同技术的函数从垃圾填埋场或焚烧液体转移的材料量,基于循环经济,基于20年的使用寿命和10T / MW叶片转换因子。能量恢复不被视为材料重用。

我们应该考虑什么时间范围?

在考虑刀片EOL管理时,需要考虑两个时间框架。

未来现有和未来安装涡轮机的特定年份:许多作者认为2050年作为预测的年度。这意味着需要估计未来陆上和海上风电场的安装来预测未来的涡轮机叶片浪费。它还意味着估计涡轮机的使用寿命。

目前安装的涡轮机的特定使用寿命:一些作者只舒适地基于已知的风力涡轮机的已知库存。在这种情况下,没有估计将来安装的涡轮机数量。然而,这仍然需要估算刀片的使用寿命 - 15,20,25和30年的常用,20年是由于OFT的20年设计生活导致的最常见。

如何计算叶片质量或体积?

对于如何将叶片或涡轮型号(如LM 13.4、Vestas V52、GE 1.5 MW)转换为需要处理的废弃物的质量或体积,似乎没有达成一致意见。估计的质量(一般以涡轮机额定功率为基础)从约10吨/兆瓦到约14吨/兆瓦不等。叶片未粉碎的全尺寸截面的体积(或长度)的估算是基于转子直径的。由于叶片对垃圾填埋场的体积影响,这些截面在新闻界引起了很大的恐慌。一个40米长的叶片估计体积为102立方米;一个60米长的叶片有260立方米的体积(或3到7辆油罐车)。

对质量和体积的估计进行了诸如刀片OEM和涡轮机制造商不会发布其刀片的精确质量或体积,这使作者留下了从通常不精确的公开信息中提取其他方法来设计其他方法。此外,重要的是要指出,虽然吨位和体积对于废物处理或回收是重要的,但实际的刀片数对于运输物流很重要。退役公司更关注刀片的数量,长度和形状,而不是它们的确切质量或体积。

单位是什么,刀刃在哪里?

对于回收材料的吨数包括哪些,以及“吨”或“吨”的含义,也没有达成一致。风力叶片大约有10%的材料是金属。这种金属存在于钢衬套和螺栓中,用于连接刀片和轮毂,以及贯穿刀片长度的铜或铝防雷接地线。也可以使用金属叶片尖端,以及金属涡发生器。

不幸的是,在报道的预测中,还有吨(2000磅)和吨(1,000千克或2,200磅)的单位混合。这是一个10%的差异,有时可能不会微不足道。

同样有争议的是世界地区,国家或地方自治市在其中的涡轮机达到其EOL。一个准确的全县地理信息科学(GIS)模型对于制定叶片退役的地方规划至关重要。上述所有因素都会受到当地法律、法规、激励和成本的影响。

如何前进?

所有这些因素导致预测未来叶片浪费和回收潜力的显着不确定性。最多,可以尝试对当前安装的涡轮机绑定预测。需要考虑的变量是:

  • 汽轮机的使用寿命——15年、20年、25年、30年甚至40年。这反过来又取决于涡轮机的比例,这些涡轮机要么通过许可延长,要么结构延长,要么重新提供动力,要么转售,要么废弃,要么在使用寿命结束时储存。
  • 叶片的质量基于涡轮额定容量,从10-14吨/兆瓦。
  • 以吨位表示的叶片数量。
  • 回收技术和再循环材料的百分比。
  • 刀片中的纤维类型-玻璃,碳和/或其他。
  • 进行预测的地区的当地政策、地理条件、经济或首选(商业惯例)做法。
  • 研究的时间框架(即使是目前安装的涡轮机)。
  • 陆上或海上叶片是否被认为是单独或分开的,因为选择基于这两种类型的选择会显着不同。

值得注意的是,上述一些变量是互斥的。例如,如果一个假设安装涡轮机的使用寿命为15年,则只能在研究之日起了15年的预测,而不是任何时间段。

为了解决这些问题,我们倡导这一点,以便对将到达其EOL或进入垃圾和再循环流的刀片进行有意义的预测,必须包括在开始时注意的六个变量:如何定义EOL;如何定义回收;时间范围是什么;如何确定质量和体积;如何定义吨数;以及实际位置如何影响数字。为了说明这些变量如何影响预测,我们在图1和2中呈现了两个极端上限和下限。对于目前安装的风力涡轮机的EOL和回收吨位,基于木质Mackenzie Q1 2020风刀片数据库报告的数据。可以看出,对于未来任何选择的年份,数量的差异可能是巨大的。

最终,从原材料供应商到风电场运营商本身,整个风力涡轮机供应链都必须承担起制定叶片EOL特征参数、边界和定义的责任。而整个风力涡轮机供应链必须承担起为已到达服务终点的叶片的管理开发解决方案的责任。如果做不到这一点,就不可避免地需要监管监督的形式来解决问题,这可能会也可能不会迎接挑战。现在是风力发电机供应链负责任地、主动地、积极地应对这种EOL困境的时候了。

该研究的资金由国家科学基金会(美国),科学基金会(爱尔兰共和国)和经济部(北爱尔兰)提供。在本材料中表达的任何意见,调查结果和结论或建议是作者的任何意见,也不一定反映资金机构的意见。

提交人的隶属度:

Lawrence Bank,研究工程师,Russell Gentry,佐治亚理工学院建筑学院副教授。,美国

Emma Delaney,Ph.D.学生,詹妮弗麦克利,自然和建筑环境学院教授,女王大学贝尔法斯特,贝尔法斯特,北爱尔兰,U.K.

Paul Leahy,讲师,工程学院,大学大学软木塞,科克,爱尔兰。

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