风电：对不起，我会产生不可回收垃圾
21世纪初，风力发电头顶“绿色低碳”的光环，高调出道。经过十多年的迅猛发展，成为了清洁可再生能源的主力军。
然而，因为风电产生的电能极其不稳定，电力质量差，会对电网造成难以预料的冲击。因此，在并入电网时，其往往需要与火电、水电甚至核电等其它稳定的能源进行协同配合，也被戏称为“垃圾电”。
实际上，伴随风资源预测算法的逐步完善、风电机组智能控制手段的不断进步，风电的“垃圾电”属性正在逐渐消失。然而，风力发电却仍然难以完全摘除掉“垃圾”这个标签。
棘手的巨型垃圾
贴在风电身上的“垃圾”标签，并非无中生有。风力发电的确会产生垃圾，并且是体积巨大的不可回收垃圾。
现代风力发电机组（图片来源：Pixabay）
一般情况下，风力发电机的使用寿命为20~25年，按此计算，在21世纪前期安装的大批初代风电机组即将陆续退役。现代大型风电机组一般由6000多个零部件构成，包括塔筒、齿轮箱、发电机等在内的85%~90%的部件都可以进行回收再利用。
但对于走到生命尽头的废弃叶片，它们的处理工作却异常棘手——除了叶根连接螺栓以及内部的线缆之外，风电叶片的主体由复合材料构成，具体成分主要包括环氧树脂、玻璃纤维（俗称“玻璃钢”）以及轻木等。与传统的金属、塑料制品不同，这些材料难以进行二次回收利用。
废弃的风电叶片（图片来源：Hackaday）
另外，风电产业的崛起推动着叶片尺寸不断攀升，目前世界上最大的风电叶片长达107米，相当于高达35层的建筑物，是本世纪初主流叶片长度的近8倍。这也导致叶片制造所需的原材料大幅增加，也令总重量迅速提升。例如，当前5 MW风力机三支叶片的总重量甚至超过了60吨。
显而易见，未来处理废弃叶片的形势只会更加严峻。研究表明，到2050年，全球的废弃叶片将达到4300万吨，其中中国占40%，欧洲占25%，美国占16%，其他地区占19%。
粗放的叶片处理手段
作为一个追逐朝阳的行业，风电行业却极度缺乏废弃叶片的实际处理经验。目前，其主要处理方法是掩埋和焚烧。
显然，直接将叶片运到垃圾场进行填埋过于简单粗暴，并且会造成土地资源的巨大浪费，极其不环保，基本上已经被淘汰。
垃圾填埋场（图片来源：Pixabay）
那么，焚烧是否是有效的处理方式呢？虽然垃圾处理工厂能利用焚烧叶片产生的热量来发电，但面临的挑战也不小。
废旧叶片在进入焚烧厂前首先需要进行拆解和粉碎，由于复合材料中含有无机物质，60%的废料焚烧之后会变成含有污染物质的灰烬，同时还会产生有毒的废气，威胁工人的身体健康。其中，残留的细小玻璃纤维可能会使过滤设备出现故障。从能耗和排放角度来说，其大幅增加了成本和低碳环保的压力。
实际上，目前叶片的回收方法操作繁琐且效率低下，只有个别国外工厂具备适量叶片集中处理的能力。叶片中只有近30%的纤维可以通过回收，制成新的复合材料，而大多数只能作为水泥行业的添加物。为了探索回收叶片的方案，全球范围内与叶片回收业务相关的各个企业也都纷纷开展了大量的研究项目，同时推出了各种维度类型的创新性产品。
艰难的叶片回收之路
2012年，荷兰率先将退役风电机组叶片作为儿童公园的建筑物、休闲长椅以及公交候车亭，但这种小而美的回收利用方式难以大规模地应用于大型兆瓦级风电叶片，显而易见，这种方式能够消纳的废弃叶片极其有限，不是理想的回收方式。
退役的叶片制成的长椅（图片来源：The-village）
要想批量回收风力发电机的叶片，需要将混合粘接构成叶片的多种材料各自分离开。针对此，欧洲研究机构合作开发了纤维分离技术，先利用混合切割机将叶片粉碎，之后去除杂质，加热将玻璃纤维与树脂进行化学分离。在洗去纤维上残留的树脂后，通过二次活化方法对纤维进行改良，将其与一种新型的树脂进行粘结，最终获得更好的性能。
此外，华盛顿大学的一个研究小组也使用相似的方法，把叶片切割成小块，再次加工成新的复合材料，制造成地砖以及路障等产品。
总而言之，叶片回收首先采取的步骤就是通过各种机械将巨大的叶片切割成小块。之后再进行粉碎、分离等，完成后续一系列的处理步骤。但是，这些纤维比原来的纤维短，表面还掺杂着树脂，极大程度地限制了其力学性能，也使这些重新形成的复合材料限制在了一个有限的应用领域。
被切割成碎片的叶片（图片来源：Veolia公司）
寄予厚望的热塑性叶片
风电叶片的回收难题迟迟无法解决，山穷水复之际，唯有转变思维方式，才能化解危机。
面对这个日益严峻而棘手的难题，2017年，欧美多家叶片企业和研究机构联合起来，共同参与了一项“叶片全循环”计划，尝试开发一款专门用于叶片制造的新型热塑性树脂，从生产环节入手，彻底解决叶片回收问题。
美国可再生能源实验室的科学家正在制作热塑性树脂叶片（图片来源：nrel.gov）
原来，传统的兆瓦级风电叶片是通过真空灌注工艺使环氧树脂浸润玻璃纤维，之后加热使二者融为一体，由于环氧树脂属于热固性树脂，叶片一旦加热后便会产生化学变化，随着其逐渐硬化成型，后续即使对它进行高温加热也不能使其软化。
而此时，它出色的力学性能也完全发挥到了极致，耐疲劳性能更是登峰造极，这时的叶片具有了“金刚不坏之身”，确保它在遭遇极端强风时仍能游刃有余地化解危机，同时保证其具有超过20年的安全稳定运行寿命。
但坚不可摧的“矛”到了退役的时候，它的优点反而成为了它最大的缺点，几乎任何普通常规的方法都不能伤它分毫，只能选择简单粗暴的方式将其破碎肢解。
制作完成的热塑性树脂叶片（图片来源：nrel.gov）
与热固性树脂不同，热塑性树脂的分子结构呈线型排布，这使其具有受热软化、冷却硬化的性能，而无论加热和冷却重复了多少次，它都不会发生化学反应，并始终保持着这种性能。我们日常生活中随处可见的塑料瓶、塑料玩具等就是最为典型的热塑性材料。
因此，如果今后的叶片采用了热塑性树脂，那么当它退役的时候就摇身一变，成为了可回收垃圾，废弃叶片的回收处理就变得简单多了。通过初步碾碎，加热分解之后，最后得到提纯的原材料，可以再次用于叶片的生产制造，从源头上推动叶片的循环利用，避免其变成难以处理的垃圾。
作为绿色清洁能源的代表，风力发电发挥着践行低碳环保理念的重任。若能解决叶片的回收难题，风电便能撕下“垃圾”的标签，让环保的光环更加熠熠生辉。
参考文献：
[1] Wind turbine blade waste in 2050. Pu Liu, Claire Y. Barlow. Waste Management. Volume 62, April 2017: 229-240.
[2] https://cleantechnica.com/2020/11/02/recycling-wind-turbine-blades/
[3] https://www.scientificamerican.com/article/new-wind-turbine-blades-could-be-recycled-instead-of-landfilled/
[4] https://ecology.news/2019-09-27-non-recyclable-wind-turbine-blades-buried-in-landfill.html
[5] https://www.sciencefriday.com/segments/wind-turbine-waste/
[6]https://www.chooseenergy.com/news/article/wind-turbine-blades-cause-issue-with-waste/
[7]https://www.heartland.org/news-opinion/news/wind-turbines-generate-mountains-of-waste
[8]https://www.sciencefriday.com/segments/wind-turbine-waste/
[9]https://www.reuters.com/business/sustainable-business/end-wind-power-waste-vestas-unveils-blade-recycling-technology-2021-05 17/
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：城明辰