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James Gignac Analista principal de energía del Medio Oeste

Este es uno de los cuatro blogs de una serie que examina los desafíos y oportunidades actuales para el reciclaje de tecnologías de energía limpia. Consulte la publicación introductoria , así como otras entradas sobre paneles solares y baterías de almacenamiento de energía . Un agradecimiento especial a Jessica García, becaria de política de energía limpia del Medio Oeste de verano de 2020 de la UCS, por su apoyo a la investigación y la coautoría de estas publicaciones.

Las turbinas eólicas han aumentado en tamaño y cantidad para satisfacer las demandas de capacidad de energía limpia

La energía eólica moderna convierte la energía cinética (movimiento) del viento en energía mecánica. Esto sucede a través del giro de grandes aspas de fibra de vidrio, que luego hacen girar un generador para producir electricidad. Las turbinas eólicas, como se las conoce, pueden estar ubicadas en tierra o en alta mar.

Se proyecta que la energía eólica seguirá creciendo en los EE. UU. para 2050. El último Informe de mercado de tecnologías eólicas preparado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley encontró que los precios de la energía eólica están en mínimos históricos, y para 2019, el 7.3 por ciento de la generación de electricidad a escala de servicios públicos en los EE.UU. vino del viento. En esta publicación de blog, examinaremos las turbinas eólicas terrestres y las oportunidades de reciclaje que existen pero que aún no se implementan ampliamente para las palas de las turbinas.

Fuente: Berkeley Lab Electric Markets & Policy (https://emp.lbl.gov/wind-energy-growth)

Los diseños de turbinas eólicas han evolucionado con el tiempo para aumentar en tamaño y eficiencia, lo que finalmente conduce a una mayor capacidad de generación. El diseño principal de las turbinas comerciales en la actualidad son las turbinas eólicas de eje horizontal que consisten en un rotor con tres palas de fibra de vidrio unidas a un cubo, que a su vez está unido a una pieza central (la góndola) que está montada en una torre de acero. Varias otras máquinas y cimientos de hormigón también se incluyen en el diseño moderno de turbinas eólicas, que incluyen más de 8000 piezas por turbina.

Las aspas de las turbinas eólicas en la flota actual de EE. UU. tienen un promedio de alrededor de 50 metros de largo, o alrededor de 164 pies (aproximadamente el ancho de un campo de fútbol de EE. UU.). Y con las tendencias recientes de usar palas más largas en turbinas más grandes y torres más altas para aumentar la producción de electricidad, algunas de las palas más grandes que se producen hoy en día alcanzan los 60-80 metros de longitud.

Fuente: Berkeley Lab, Actualización de datos de tecnología de energía eólica: Edición 2020, página 37. Tenga en cuenta que el diámetro del rotor (que se muestra aquí en metros) es un poco más del doble de la longitud de las palas

Foto: James Gignac

En términos de durabilidad, las turbinas eólicas duran un promedio de unos 25 años. Alrededor del 85 por ciento de los materiales de los componentes de las turbinas, como el acero, el alambre de cobre, la electrónica y los engranajes, se pueden reciclar o reutilizar. Pero las aspas son diferentes, ya que están hechas de fibra de vidrio (un material compuesto) para ser livianas y eficientes, pero lo suficientemente duraderas para soportar tormentas. La naturaleza mixta del material de las aspas dificulta la separación de los plásticos de las fibras de vidrio para reciclarlos en un material de fibra de vidrio viable, y la fuerza necesaria para las aspas significa que también son físicamente difíciles de romper.

¿Dónde acaban ahora las palas de aerogeneradores usadas?

Las palas de las turbinas eólicas deben desecharse o reciclarse cuando las turbinas se dan de baja en la etapa de fin de uso, o cuando los parques eólicos se actualizan en un proceso conocido como repotenciación. La repotenciación implica mantener el mismo sitio y, a menudo, mantener o reutilizar la infraestructura principal para las turbinas eólicas, pero actualizarlas con turbinas de mayor capacidad. Las cuchillas pueden reemplazarse por cuchillas más modernas y, por lo general, más grandes. De cualquier manera, las aspas de fibra de vidrio, una vez que ya no se necesitan, representan el mayor desafío para las consideraciones de fin de uso de la energía eólica.

Si bien es posible cortar las palas en algunas piezas en el sitio durante un proceso de desmantelamiento o repotenciación, las piezas siguen siendo difíciles y costosas de transportar para reciclarlas o desecharlas. Y el proceso de cortar las hojas extremadamente fuertes requiere un equipo enorme, como sierras de hilo montadas en vehículos o sierras de hilo de diamante similares a las que se utilizan en las canteras. Debido a que actualmente hay tan pocas opciones para reciclar las cuchillas, la gran mayoría de las que llegan al final de su uso se almacenan en varios lugares o se llevan a vertederos.

De hecho, Bloomberg Green informó a principios de este año sobre la eliminación de palas de aerogeneradores en vertederos. Aunque el flujo de desechos representa solo una pequeña fracción de los desechos sólidos municipales de EE. UU., claramente no es una situación ideal. A medida que se desmantelan o reemplazan las turbinas eólicas, surge la necesidad de soluciones de reciclaje más creativas para las palas usadas.

La buena noticia es que se están realizando algunos esfuerzos para desarrollar alternativas. Dos grandes empresas de servicios públicos en los EE. UU., PacificCorp y MidAmerican Energy, por ejemplo, han anunciado recientemente planes para asociarse con la empresa de Tennessee Carbon Rivers para reciclar algunas de las palas de turbina gastadas de las empresas de servicios públicos en lugar de depositarlas en vertederos. La tecnología utilizada por Carbon Rivers cuenta con el apoyo de una subvención del Departamento de Energía de EE. UU. y se utilizará para descomponer y reutilizar la fibra de vidrio de las palas de las turbinas usadas.

Foto: Flickr/Chuck Coker

Innovaciones emergentes en el reciclaje de fibra de vidrio

Si bien la naturaleza compuesta de los álabes de turbina de fibra de vidrio hace que sea muy difícil manejarlos en la etapa final de uso, el interés en encontrar alternativas también puede despertar la creatividad y la innovación. Por ejemplo, una asociación que involucra a universidades de EE. UU., Irlanda e Irlanda del Norte llamada Re-wind desarrolló algunas ideas interesantes de proyectos de ingeniería civil para reutilizar y reutilizar hojas de fibra de vidrio. Estos incluyen el uso de palas fuera de servicio en proyectos de ingeniería civil como parte de estructuras o torres de líneas eléctricas, o techos para viviendas de emergencia o asequibles. En Irlanda del Norte, Re-wind también está considerando probarlos para su uso en puentes peatonales a lo largo de vías verdes.

Más abajo en la jerarquía de residuos, comienzan a surgir opciones de reciclaje adicionales. WindEurope, que representa a la industria eólica de la Unión Europea, se ha asociado con el Consejo Europeo de la Industria Química (Cefic) y la Asociación Europea de la Industria de Compuestos (EuCIA) para desarrollar nuevos métodos para reutilizar los materiales de las palas. Las organizaciones estiman que 14.000 palas de turbinas eólicas serán desmanteladas en los próximos años solo en Europa. En mayo de 2020, el consorcio elaboró ????Accelerating Wind Turbine Blade Circularity, un informe completo que detalla el diseño, la investigación y las soluciones técnicas centradas en el ciclo de vida de la turbina eólica.

Una consideración clave para el reciclaje de materiales compuestos es garantizar que el proceso de reciclaje tenga un resultado neto positivo en comparación con la alternativa de eliminación en vertederos. Un ejemplo proviene de Alemania, donde el concepto de reciclar palas de turbinas en cemento se desarrolló por primera vez hace aproximadamente una década a través de una planta construida bajo una sociedad entre Geocycle, una unidad comercial de la corporación de materiales de construcción HolcimAG, y la empresa Zajons.

Esta forma de reciclaje implica el control de la cadena de suministro de eliminación, incluido el aserrado de las palas de la turbina en piezas más pequeñas en el sitio de desmantelamiento para reducir la logística y los costos de transporte. El proceso promete un 100 por ciento de reciclaje y reducciones en las emisiones de dióxido de carbono del coprocesamiento de cemento mediante la sustitución de la producción de materias primas de cemento con hojas recicladas, además del uso de biogás de restos orgánicos en lugar de carbón como combustible.

También se están desarrollando otras tecnologías, como el reciclaje mecánico, la solvólisis y la pirólisis, que idealmente brindarán a la industria opciones adicionales para el manejo de las hojas de fibra de vidrio cuando lleguen al final de su uso.

Otra opción creativa de reciclaje produce gránulos o tableros que se pueden usar en aplicaciones de carpintería. En 2019, Global Fiberglass Solutions comenzó a producir un producto llamado EcoPoly Pellets en los EE. UU. y pronto producirá además una versión de panel. Estos productos están certificados como reciclados de palas de turbinas eólicas fuera de servicio a través del seguimiento de identificación por radiofrecuencia (RFID) desde la pala hasta el producto final. Los pellets EcoPoly se pueden transformar en una variedad de productos, como paletas de almacén, material para pisos o bolardos de estacionamiento. Con base en sus pronósticos de demanda, Global Fiberglass Solutions anticipa poder procesar de 6000 a 7000 hojas por año en cada una de sus dos plantas en Texas e Iowa.

Un enfoque adicional al problema del reciclaje de las hojas es centrarse en la pieza inicial: de qué están hechas las hojas. La investigación y el desarrollo adicionales están analizando el uso de resina termoplástica en lugar de fibra de vidrio o fibra de carbono para las palas de las turbinas eólicas. El material puede ser más fácil y económico de reciclar.

Al final, el objetivo de aumentar la innovación hacia aplicaciones de uso adicional para palas de turbinas retiradas requiere tener suficiente demanda en el mercado para incentivar la creación de instalaciones que puedan reciclar las palas. Junto con ese desafío, existe la falta de una política en los EE. UU. con respecto a las consideraciones de fin de uso para los álabes de las turbinas, lo que contribuye aún más al statu quo del almacenamiento o eliminación como desechos sólidos en vertederos.

Lograr el 100 por ciento de reciclabilidad de los sistemas de turbinas eólicas

Como se discutió anteriormente, actualmente es menos costoso desechar las palas de las turbinas eólicas en el vertedero más cercano en lugar del transporte a menudo de larga distancia requerido para el reciclaje en el número limitado de instalaciones que pueden procesarlas de manera eficiente. Además, la industria actualmente sufre de una falta de presión regulatoria o incentivos de mercado para desarrollar completamente otras opciones de fin de uso.

Dos enfoques para una economía más circular son una mayor comunicación a lo largo de la cadena de suministro de turbinas eólicas y objetivos ambiciosos. Por ejemplo, Vestas Wind Systems A/S, una empresa mundial de diseño, fabricación e instalación de aerogeneradores, anunció un compromiso audaz de producir aerogeneradores sin residuos para 2040. La empresa planea lograrlo aumentando la reciclabilidad en los próximos 20 años a través de trabajando en estrecha colaboración con sus socios a lo largo de la cadena de suministro para, en última instancia, evitar la incineración o el vertido de sus productos. Se necesitan más asociaciones como estas entre empresas de la industria eólica para ayudar a llenar el vacío y hacer que los sistemas de energía eólica sean 100 por ciento reciclables.

Además, los estados de EE. UU. deben considerar mecanismos de política para impulsar el desarrollo del mercado de soluciones alternativas, como mayores responsabilidades de los productores, más allá de la eliminación de las palas de las turbinas eólicas en vertederos. Además, los estados podrían contemplar formas de apoyar la construcción de infraestructura de reciclaje regional, particularmente en estados con mayores porciones de energía eólica, como Texas o Iowa, para abordar la etapa de fin de uso de las palas de turbinas eólicas.

Consulte los otros blogs de esta serie para obtener una introducción al reciclaje de tecnologías de energía limpia, así como información adicional sobre el reciclaje de paneles solares y baterías de almacenamiento de energía.

¿Qué tan grande es la pala promedio de una turbina eólica?

Las aspas de las turbinas eólicas en la flota actual de EE. UU. tienen un promedio de alrededor de 50 metros de largo, o alrededor de 164 pies (aproximadamente el ancho de un campo de fútbol de EE. UU.).

¿Qué tamaño tienen las palas de aerogenerador más grandes?

MySE 16.0-242: la turbina eólica más grande del mundo

El MySE 16.0-242 es un aerogenerador de accionamiento híbrido en alta mar. Su diámetro es de 242 metros de largo, sus palas de 118 metros de largo y la turbina tiene un área de barrido de 46.000 metros cuadrados.

Cuanto miden las palas de un aerogenerador

Las palas de las turbinas varían en tamaño, pero una turbina eólica terrestre moderna típica tiene palas de más de 170 pies (52 metros) . La turbina más grande es la turbina eólica marina Haliade-X de GE, con palas de 351 pies de largo (107 metros), aproximadamente la misma longitud que un campo de fútbol.

¿Qué tamaño tienen las palas de un parque eólico?

Las turbinas eólicas industriales son mucho más grandes que las que puede ver en el patio de una escuela o detrás de la casa de alguien. El modelo GE de 1,5 megavatios, ampliamente utilizado, por ejemplo, consta de aspas de 116 pies sobre una torre de 212 pies para una altura total de 328 pies. Las palas barren un espacio aéreo vertical de poco menos de un acre.

Video: how big are wind turbine blades