Riciclaggio della resina e della fibra dai rifiuti delle pale delle turbine eoliche tramite piccole molecole

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9270 (2023) Citare questo articolo

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L’energia eolica ha un notevole potenziale di crescita e applicabilità su scala globale, ma circa il 2,4% delle pale delle turbine eoliche deve essere smantellato ogni anno. La maggior parte dei componenti delle pale può essere riciclata; tuttavia, le pale eoliche vengono raramente riciclate. Nel presente studio, è stato presentato un metodo alternativo che coinvolge una tecnica assistita da piccole molecole basata su una reazione dinamica che dissolve i materiali compositi di scarto contenenti gruppi esterei per riciclare le pale delle turbine eoliche a fine vita. Questo processo efficace richiede temperature inferiori a 200 °C e il componente principale, ovvero la resina, può essere facilmente sciolto. Questo metodo può essere applicato per riciclare materiali compositi, come pale di turbine eoliche e compositi in fibra di carbonio comprendenti fibre e resine. A seconda dei rifiuti, è possibile ottenere fino al 100% della resa di degradazione della resina. La soluzione utilizzata per il processo di riciclo è riutilizzabile più volte e può essere riutilizzata per ottenere componenti a base di resina e creare un circuito chiuso per questo tipo di materiale.

Il vento è una fonte di energia completamente rinnovabile con risorse infinite e tecnologia efficiente per il suo utilizzo. Europa, Cina e turbine eoliche offshore hanno stabilito nuovi record nel 2020, installando oltre 93 GW per un totale di 742,7 GW1. L’UE prevede che le nuove costruzioni aumenteranno la capacità di energia eolica da 205 GW2 a 323 GW entro il 2030. L’energia eolica fornisce il 15% dell’elettricità dell’UE ed entro il 2030 ne fornirà il 30%. Tra il 2020 e il 2030, molte turbine eoliche degli anni 2000 saranno sottoposte a smantellamento e smantellamento3,4. Germania, Spagna e Danimarca avevano il 41-57% delle turbine eoliche installate in Europa, con un tempo di sfruttamento che superava i 15 anni nel 20205,6. Nel 2021, la potenza totale di 4 GW di turbine eoliche (6000 turbine) potrebbe essere disattivata a causa della scadenza del supporto ventennale7. Ogni anno viene sostituito il 2,4% di tutte le pale delle turbine eoliche in Europa8. I materiali compositi di grandi dimensioni come le pale eoliche vengono raramente riciclati9,10,11,12,13 e molti smantellamenti e lo smaltimento in discarica delle pale eoliche mettono a dura prova l’ambiente, con conseguente perdita di energia chimica e potenziale di materiale da riciclare.

Le pale delle turbine eoliche possiedono una composizione complessa, contenente rivestimenti termoplastici, compositi termoindurenti/vetro e fibra di carbonio14, fibra di carbonio, legno di balsa e adesivi15. Questa composizione rende molto difficile la separazione dei materiali e l'ulteriore riutilizzo delle frazioni separate16,17,18,19. Un ulteriore 1 kW di energia eolica installata richiede 12-15 kg di compositi, compresi i materiali delle pale20. I polimeri termoindurenti reticolati dei compositi dello strato esterno non possono essere fusi o rimodellati, rendendo problematiche anche le prime fasi del riciclaggio21,22,23,24,25,26. I ricercatori hanno sviluppato metodi di riciclaggio dei compositi termoindurenti meccanici27,28,29,30, termici31 e chimici32,33,34,35,36. Le tecniche di riciclo termico di pirolisi e gassificazione hanno valori TRL rispettivamente di 9 e 5/637,38. Sfortunatamente, le condizioni di pirolisi con temperature superiori a 500 °C possono danneggiare le fibre trattenendo residui di ossidazione, carbone o struttura chimica. Inoltre non è sempre economico e la sua idoneità dipende dalla tecnologia utilizzata. Se il processo di conversione termica deve essere eseguito come processo autotermico, è necessario utilizzare alcune o tutte le sostanze volatili emesse dal processo. Di conseguenza, alcuni, se non la maggior parte, dei composti organici recuperabili da tale flusso vanno perduti. Inoltre, i processi di conversione termica producono miscele complesse che necessitano di ulteriori processi ad alta temperatura come distillazione, idrodeossigenazione o idrocracking prima dell'uso. La solvolisi, utilizzata in questo lavoro, recupera fibre pulite e intatte e riutilizza la resina, e questo potrebbe chiudere il ciclo dei compositi in resina rinforzata con fibre39. A causa dell’elevata temperatura (ma inferiore alla pirolisi o della gassificazione) e delle condizioni di alta pressione, che consentono di raccogliere e reintrodurre volumi significativi di solventi, questa tecnica è inefficiente e ad alta intensità energetica. Questo metodo offre il miglior rapporto costo/valore degli articoli nonostante un TRL di 5/626,40.