Grüne Energie grüner machen: Forscher schlagen Methode für das Recycling von Windturbinenflügeln vor

Eine Gruppe von Forschern der Technischen Universität Kaunas (KTU) und des Litauischen Energieinstituts hat eine Methode für das Recycling von Windturbinenflügeln vorgeschlagen. Mithilfe der Pyrolyse zerlegten sie die Verbundwerkstoffe in ihre Bestandteile, d. h. Phenol und Fasern. Den Wissenschaftlern zufolge können die gewonnenen Materialien wiederverwendet werden, und das Verfahren ist praktisch abfallfrei.

Windturbinenblätter aus glasfaserverstärkten Polymeren (GFK) können bis zu 25 Jahre lang verwendet werden. Danach landen sie auf der Mülldeponie – GFK gilt als schwer abbaubar. Dies ist für die Branche der erneuerbaren Energien zu einer echten Herausforderung geworden.

Man schätzt, dass 10 Prozent des europäischen Abfalls an faserverstärkten Verbundwerkstoffen auf Windturbinenblätter entfallen. Forscher gehen davon aus, dass der Abfall von Windturbinenblättern bis 2050 weltweit auf etwa zwei Millionen Tonnen ansteigen wird. Da in vielen Ländern die Deponierung von Verbundwerkstoffen verboten ist, stellt das Recycling gebrauchter Windturbinenblätter eine Herausforderung dar, die Forscher in aller Welt zu lösen versuchen.

„Das Ziel, die globalen Treibhausgasemissionen bis 2050 auf nahezu Null zu reduzieren, wurde bereits vor einigen Jahren formuliert. Seitdem engagieren sich immer mehr Länder für das Netto-Null-Ziel, indem sie in erneuerbare Energiequellen, einschließlich Windenergie, investieren. Das Hauptproblem ist jedoch das Recycling der Rotorblätter von Windkraftanlagen, die so lang wie ein Fußballfeld sind, sehr stabil sind und Kunststoff enthalten. Ohne eine praktikable Lösung können wir nicht sagen, dass die Windenergie vollständig nachhaltig und umweltfreundlich ist“, sagt Dr. Samy Yousef, Forscher an der Technischen Universität Kaunas (KTU), Fakultät für Maschinenbau und Design.

Um diese Herausforderung zu meistern, hat die Forschungsgruppe um Dr. Yousef mehrere Versuche durchgeführt, bei denen GFK in seine Bestandteile zerlegt wurde.

Abfallfreie Umwandlung

Aufgrund ihrer Festigkeit, der einfachen Formgebung und der niedrigen Herstellungskosten werden GFK-Verbundwerkstoffe für eine Vielzahl von Zwecken verwendet – für den Automobilbau, die Schifffahrt, die Öl- und Gasförderung, das Bauwesen, Sportartikel und vieles mehr. Flugzeuge, Windenergie und Elektronik gehören zu den Branchen, in denen GFK am häufigsten verwendet werden, wobei die weltweite Nachfrage jährlich um 6 Prozent steigt.

„GFK-Verbundwerkstoffe, die in vielen Branchen einschließlich der Herstellung von Windturbinenblättern verwendet werden, sind entweder duroplastisch oder thermoplastisch. In beiden Fällen bestehen sie im Wesentlichen nur aus zwei Komponenten – Fasern und Harz (in einigen Fällen mit verschiedenen Mikro- oder Nanopartikelzusätzen). Bei den Fasern handelt es sich in der Regel um Kohlenstofffasern oder Glasfasern (letztere sind billiger)“, erklärt Dr. Yousef.

Während der Experimente wendete die Forschungsgruppe die Pyrolyse (in Anwesenheit von Zeolith-Katalysatoren und ohne) auf verschiedene Chargen von Verbundwerkstoffen an – Glasfaser-Duroplast und Glasfaser-Thermoplast – und maß jeweils die Extraktion von Phenol (dem Hauptbestandteil bei der Produktion von Phenolharzen und der Herstellung von Nylon und anderen Kunstfasern). Danach analysierten sie die Grundstoffe aus jeder Charge. Die Forscher bewerteten auch die Auswirkungen, die der Zusatz von Nanopartikeln (wie Ruß) auf die Ausbeute an nützlichen Komponenten haben kann.

Obwohl die Ausbeute der bei der Pyrolyse extrahierten Komponenten je nach den angewandten Temperaturen unterschiedlich ist, ergab die Proximitätsmessung, dass in allen Fällen zahlreiche flüchtige Verbindungen (bis zu 66 Prozent) und Faserrückstände (etwa 30 Prozent) extrahiert wurden. Die zugesetzten Fasernanopartikel (Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphen) erhöhten die Ausbeute an Phenol.

„Die flüchtigen Bestandteile sind im Wesentlichen Phenol, das zur weiteren Herstellung von Harz verwendet werden kann, und der Faserrückstand kann nach chemischer Reinigung zahlreiche Anwendungen finden – für faserverstärkten Beton, Polymerverbundwerkstoffe, Faserbodenbeläge. Unsere Methode ist praktisch abfallfrei und verursacht nur geringe Emissionen, was bei dieser Art von Umwandlungsverfahren üblich ist“, sagt Yousef.

Braucht ein echtes Windturbinenblatt für weitere Forschung

Die Experimente wurden mit Proben durchgeführt, die in einem Labor hergestellt wurden und eine ähnliche Zusammensetzung hatten wie die für die Herstellung von Windturbinenflügeln verwendeten, und nicht mit den Windturbinenflügeln selbst. Daher, so Dr. Yousef, muss die Wirkung der Farbbeschichtung, mit der die echten Turbinenblätter überzogen sind, auf die Ergebnisse bewertet werden. Er geht jedoch davon aus, dass dieser Effekt nicht signifikant sein wird.

„Wir würden uns natürlich freuen, ein abgenutztes, nicht mehr verwendbares Windradblatt zu erhalten und unsere Experimente mit den vom echten Objekt erhaltenen Proben durchzuführen“, sagt Yousef.

Derzeit arbeitet die Forschungsgruppe an einem Modell, mit dem sich die wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen der Ergebnisse skalieren und berechnen lassen.

Diese Studie ist eine von mehreren, die von derselben Forschungsgruppe durchgeführt werden, die sich auf die praktische Umsetzung der Grundsätze der Kreislaufwirtschaft konzentrieren. Im vergangenen Jahr fand ihr Experiment zur Umwandlung von Mikrofasern in Energie breite internationale Beachtung.

„Wir forschen an zahlreichen Themen im Zusammenhang mit dem Klimawandel, der Gewinnung von sauberer Energie (H2 und CH4) mit Hilfe der Membrantechnologie und dem Übergang zur Kreislaufwirtschaft, da diese Themen eng mit der Zukunft unseres Planeten verbunden sind“, sagt Dr. Yousef.

Datum: März 15, 2022
Quelle: Technische Universität Kaunas


Journal Reference:

  1. Samy Yousef, Ieva Kiminaitė, Justas Eimontas, Nerijus Striūgas, Mohammed Ali Abdelnaby. Catalytic pyrolysis kinetic behaviour of glass fibre-reinforced epoxy resin composites over ZSM-5 zeolite catalystFuel, 2022; 315: 123235 DOI: 10.1016/j.fuel.2022.123235

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