Artykuły

Streszczenie

 W ramach niniejszego artykułu omówiono skalę problemu zagospodarowania zużytych łopat turbin wiatrowych, porównano technologie ich obróbki pod kątem efektywności energetycznej i środowiskowej, kosztów procesu i dojrzałości technologicznej oraz dokonano przeglądu innowacyjnych rozwiązań opartych na ponownym wykorzystaniu odzyskanych komponentów.

Wprowadzenie

Energetyka wiatrowa, choć uznawana za jeden z głównych filarów zielonej transformacji, mierzy się z wyzwaniem, które coraz wyraźniej uwidacznia się na horyzoncie – zagospodarowaniem zużytych łopat turbin. Ich żywotność techniczna wynosi około 20 lat, a prognozy wskazują, że do 2050 roku globalna masa tych odpadów może sięgnąć nawet 43 milionów ton [1]. Problem ten dotyczy w szczególności Europy, która jako jeden z pierwszych regionów na świecie zmierzy się z problemem masowej likwidacji instalacji wiatrowych. Łopaty, wykonane z trwałych, ale trudnych w recyklingu kompozytów, stanowią wyzwanie zarówno technologiczne, jak i środowiskowe, a utrudnienia w ich efektywnym przetwarzaniu mogą zachwiać proekologicznym wizerunkiem branży.

Rys. 1. Prognozy rocznej ilości odpadów pochodzących z łopat turbin wiatrowych do 2050 roku w Europie [2]

Szacuje się, że w samej tylko Europie po 2045 roku roczna ilość generowanych odpadów obejmujących materiały łopat turbin wiatrowych osiągnie poziom około 300 000 ton, z czego blisko 1/3 będzie pochodzić z sektora offshore, a pozostałe 2/3 z instalacji lądowych. W tym okresie przewiduje się stabilizację poziomu odpadów, co jednak nie oznacza zmniejszenia presji na systemy recyklingu – wręcz przeciwnie, będzie to czas największego obciążenia infrastruktury odzysku materiałów [2]. Właśnie dlatego poszukiwanie innowacyjnych, opłacalnych i społecznie akceptowalnych sposobów zagospodarowania tych komponentów staje się obecnie jednym z kluczowych zadań dla sektora OZE.

Metody przetwarzania zużytych łopat turbin wiatrowych

Tradycyjne sposoby zagospodarowania zużytych łopat turbin wiatrowych przez lata opierały się głównie na dwóch rozwiązaniach: spalaniu i składowaniu. Spalanie odpadów, mimo możliwości odzysku części energii, wiąże się z emisją toksycznych gazów, metali ciężkich oraz dioksyn, a także generuje odpady w postaci popiołu, wymagające dalszego przetworzenia. Z kolei składowanie, choć technicznie proste i niegdyś powszechnie stosowane, niesie ryzyko długotrwałego zanieczyszczenia gleby i wód gruntowych oraz utraty cennych surowców, ograniczając jednocześnie dostępną powierzchnię wykorzystywaną w celu utworzenia składowiska [3]. Oba te rozwiązania są obecnie restrykcyjnie ograniczone przepisami, a w wielu krajach objęte wysokimi podatkami środowiskowymi, co skutecznie zniechęca do ich stosowania na rzecz bardziej zrównoważonych metod [4]. Wrażliwość opinii publicznej na kwestie środowiskowe w tym zakresie wzrosła szczególnie za sprawą mediów społecznościowych, w których popularne stały się zdjęcia utylizowanych łopat, m.in. składowiska Casper Regional Landfill z 2019 roku, które stało się symbolem kryzysu wizerunkowego energetyki wiatrowej [5].

Rys. 2. Składowisko łopat turbin wiatrowych Casper Regional Landfill [6]

W odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na wdrażanie rozwiązań zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju, rozwijać zaczęły się technologie recyklingu komponentów turbin wiatrowych obejmujące trzy główne grupy procesów: obróbkę mechaniczną (m.in. rozdrabnianie i mielenie), obróbkę termiczną (pirolizę, w tym pirolizę mikrofalową oraz fluidyzację) oraz metody chemiczne, z których najczęściej stosowaną jest solwoliza. Każde z tych podejść charakteryzuje się odmiennym stopniem dojrzałości technologicznej, kosztami realizacji, efektywnością odzysku materiałów oraz stratami energetycznymi związanymi z realizacją procesu, jednak ich wspólnym celem jest maksymalne ograniczenie ilości odpadów trafiających na składowiska przy jednoczesnym zachowaniu jak najwyższej jakości odzyskanych surowców [3].

Rys. 3. Metody postępowania z łopatami turbin wiatrowych po okresie eksploatacji [3]

Piroliza to proces termicznego rozkładu kompozytów w atmosferze beztlenowej, prowadzony w temperaturze około 450–700°C, którego celem jest usunięcie osnowy polimerowej i odzyskanie włókien. Produktem ubocznym są gazy i oleje, które mogą zostać wykorzystane jako źródło energii lub surowiec do produkcji nowych żywic. Choć metoda ta charakteryzuje się stosunkowo niską emisją CO₂, wysoka temperatura może powodować znaczną utratę wytrzymałości odzyskanych włókien, a sam proces jest opłacalny głównie przy przetwarzaniu dużych ilości odpadów [3] [7].

Fluidyzacja z kolei polega na poddaniu rozdrobnionych fragmentów łopat działaniu gorącego strumienia powietrza, który unosi je na złożu z piasku kwarcowego, powodując rozkład żywicy i oddzielenie włókien. Proces ten umożliwia odzysk energii lub monomerów z części polimerowej, jednak jego wadą jest znaczna degradacja włókien w wyniku intensywnego ścierania w warunkach wysokiej temperatury. Z tego powodu odzyskany surowiec ma ograniczone zastosowanie w produktach wymagających wysokich parametrów mechanicznych [3] [7].

Solwoliza opiera się na rozkładzie osnowy polimerowej kompozytu przy użyciu odpowiednich rozpuszczalników, takich jak woda, alkohole i glikol w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu. Proces ten pozwala oddzielić włókna szklane lub węglowe w stanie nienaruszonym oraz odzyskać frakcję polimerową, którą można wykorzystać do produkcji nowych żywic lub innych wyrobów. Proces pozwala na zachowanie wytrzymałości odzyskanych włókien, jednak wiąże się z wysokimi kosztami, znacznym zużyciem energii i koniecznością stosowania agresywnych substancji chemicznych [7] [8].

Obróbka mechaniczna łopat odnosi się do rozdrabniania materiałów z użyciem kruszarek, młynów i rozdrabniaczy w celu uzyskania mieszaniny włókien i żywic, która po odsianiu może być wykorzystana jako wypełniacz lub surowiec w innych procesach przemysłowych.

Tab. 1. Koszty jednostkowe obróbki kompozytów z włókna szklanego w łopatach turbin wiatrowych w wybranych procesach technologicznych [9]

Rys. 4. Energetyczne koszty jednostkowe wybranych procesów w recyklingu i utylizacji łopat turbin wiatrowych oraz produkcji ich materiałów [7]

Zgodnie z tabelą 1. rozdrabnianie mechaniczne łopat jest obecnie najtańszą technologią ich obróbki w ramach recyklingu, stanowiąc ponad 3-krotnie tańsze rozwiązanie od obróbki termicznej. Wysokie koszty pirolizy i fluidyzacji wynikają przede wszystkim z konieczności dostarczenia większej ilości energii do przeprowadzenia procesu oraz wysokich kosztów konserwacji i obsługi specjalistycznych urządzeń [9]. W celu obróbki mechanicznej zużytych komponentów dostarcza się ponad 6-krotnie mniej energii niż w przypadku pirolizy, 8-krotnie mniej niż przy zastosowaniu technologii fluidyzacji i niemal 20-krotnie mniej niż w przypadku obróbki chemicznej [7]. Za jej popularnością przemawia także stopień gotowości technologicznej TRL = 9 na tle dojrzałości technologii pirolizy (TRL = 7-8), pirolizy mikrofalowej (TRL = 4), fluidyzacji (TRL = 4-5) i solwolizy (TRL = 5-6) [7]. Ostateczna opłacalność wskazanych procesów zależy jednak również od istnienia realnych rynków zbytu i możliwości komercjalizacji materiałów wtórnych.

Społeczne oczekiwania wobec ponownego wykorzystania materiałów łopat

Ważnym filarem gospodarki o obiegu zamkniętym jest ponowne wykorzystanie przetworzonych komponentów w nowych konstrukcjach – zarówno w elementach infrastruktury, jak i w przemyśle czy architekturze. W 2024 roku w Holandii przeprowadzono badanie na grupie 1473 respondentów, którego celem było poznanie opinii społeczeństwa na temat ponownego wykorzystania materiałów pochodzących z łopat turbin wiatrowych po zakończeniu ich eksploatacji. Ankietowani oceniali szereg proponowanych rozwiązań, wskazując, które z nich uważają za najbardziej sensowne. Najwyższe poparcie uzyskały zastosowania infrastrukturalne – 85% badanych pozytywnie oceniło wykorzystanie fragmentów łopat w ekranach akustycznych przy autostradach, 80% w stojakach rowerowych, a 75% w elementach konstrukcyjnych mostów. Nieco mniejsze, choć wciąż większościowe poparcie, uzyskały zastosowania w przestrzeni rekreacyjnej, jak komponenty placów zabaw (64%) czy oryginalne meble (58%) [10].

Rys. 5. Stopień akceptacji ankietowanych w stosunku do proponowanych rozwiązań ponownego wykorzystania elementów łopat turbin wiatrowych [10]

Ponadto odpowiadając na pytania otwarte, respondenci zaproponowali również szereg innych zastosowań dla zużytych łopat turbin, takich jak ponowne wykorzystanie ich w produkcji nowych wirników, w sektorze budownictwa, transporcie (łodzie, rowery, deski surfingowe), infrastrukturze (bariery ochronne na drogach, mosty, znaki drogowe), sztuce i projektach artystycznych, przestrzeni publicznej (ławki, wiaty autobusowe, donice, meble ogrodowe, skateparki), jako elementy ogrodzeń i przegród, w konstrukcjach wzmacniających wały przeciwpowodziowe, a także jako elementy zadaszenia [10].

Przegląd innowacyjnych koncepcji i zastosowań

W związku z wysokimi kosztami składowania łopat oraz obróbki podczas ich rozdrabniania i odzysku surowców tworzących kompozyt, coraz większe zainteresowanie budzi idea ich ponownego wykorzystania w konstrukcjach inżynieryjnych, architekturze i przestrzeni publicznej. Przykłady z ostatnich lat pokazują, że zużyte łopaty mogą pełnić funkcje nośne i użytkowe, jako elementy mostów i kładek, jak i infrastruktury miejskiej, mebli plenerowych, czy przystanków. Jednym z przełomowych przykładów wdrożenia tych założeń do użytku jest obiekt mostowy wykonany z recyklowanych łopat turbin wiatrowych, zrealizowany w 2022 roku w Szprotawie, będący efektem współpracy Politechniki Rzeszowskiej i firmy Anmet [11].

Rys. 6. Kładka w Szprotawie [11].

Konstrukcja kładki opiera się na dźwigarze wykonanym z dwóch połączonych segmentów łopat kompozytowych, połączonych kołnierzowo. Do dźwigara przymocowano kratownicowe poprzecznice i podłużnice stalowe, na których oparto pomost z desek kompozytowych oraz balustrady. Całość tworzy lekką, wytrzymałą i estetyczną konstrukcję, dodatkowo wyposażoną w siedzisko rekreacyjne [11].

Elementy łopat turbin wiatrowych znajdują również funkcjonalne zastosowania w małej architekturze miejskiej, czego przykładem jest plac zabaw Wikado w Rotterdamie, gdzie wykorzystano pięć wyeksploatowanych łopat jako główne elementy konstrukcyjne. Cztery z nich ustawiono pionowo, tworząc wieże i punkty widokowe, a piątą ułożono poziomo, przekształcając ją w tunel do zabawy. Kompozytowe łopaty, wykonane z laminatów wzmacnianych włóknem szklanym, cechują się wysoką odpornością na warunki atmosferyczne, sztywnością oraz trwałością, co sprawia, że idealnie nadają się do ponownego wykorzystania w infrastrukturze zewnętrznej. Minimalizacja ingerencji w kształt i strukturę materiału pozwoliła w tym wypadku ograniczyć koszty obróbki łopat, wpisując projekt w założenia gospodarki o obiegu cyrkularnym [12].

Rys. 7. Plac zabaw Wikado w Rotterdamie [13]

Godny uwagi jest również przypadek prototypu ławki opracowanego przez zespół z Uniwersytetu Technologicznego w Delfcie wykonanego z przekrojonej wzdłużnie łopaty turbiny, z której uformowano siedzisko o ergonomicznie zakrzywionej powierzchni. Ważnym etapem obróbki elementów było cięcie wodą pod wysokim ciśnieniem celem nadania pożądanego kształtu, które pozwoliło na precyzyjne formowanie geometrii bez naruszania struktury warstwowej kompozytu i bez ryzyka powstawania lokalnych odkształceń i stępienia narzędzi, jak ma to miejsce przy obróbce mechanicznej i cieplnej. Dzięki zachowaniu oryginalnej krzywizny materiału możliwe było uzyskanie stabilnej, samonośnej struktury bez konieczności stosowania dodatkowych wzmocnień, a wielowarstwowy laminat zapewnił odpowiednią sztywność oraz odporność na odkształcenia, nawet w warunkach eksploatacji na zewnątrz [14].

Rys. 8. Prototyp ławki wykonany przez zespół naukowy Uniwersytetu Technologicznego w Delfcie [14].

W literaturze wskazuje się także na potencjał wykorzystania odpowiednio pociętych łopat w konstrukcji zadaszenia. Zakrzywiony, aerodynamiczny kształt sprawia, że sprawdzają się one jako łukowe przekrycia, które mogą być wykorzystywane m.in. w wiatach przystankowych, altanach parkowych, czy pawilonach ekspozycyjnych. Kompozytowy materiał łopat zapewnia nie tylko odpowiednią sztywność i odporność na obciążenia śniegiem czy wiatrem, ale również trwałość w warunkach zewnętrznych, bez potrzeby intensywnej konserwacji [15].

W obszarze budownictwa ziemnego z kolei coraz częściej rozważa się stosowanie segmentów łopat turbin wiatrowych jako alternatywy dla klasycznych rozwiązań geotechnicznych. Cięcie łopat na poprzeczne plastry o stałej długości pozwala uzyskać modułowe elementy, które można układać schodkowo wzdłuż nasypów drogowych, kolejowych czy przeciwosuwiskowych. Dzięki możliwości wypełniania przestrzeni między blokami materiałami sypkimi, rozwiązanie to eliminuje konieczność stosowania specjalistycznych kruszyw. Z perspektywy inżynierskiej to przykład technologii, która łączy efektywność materiałową z prostotą wykonania i wysokim potencjałem adaptacyjnym w infrastrukturze [16].

Rys. 9. Schemat gabionu według zgłoszonego polskiego patentu [17]Rys. 9. Schemat gabionu według zgłoszonego polskiego patentu [17]

Podsumowanie

Podjęta analiza pokazuje, że problem zagospodarowania zużytych łopat turbin wiatrowych to nie tylko kwestia środowiskowa, ale także szansa na rozwój innowacyjnych rozwiązań w inżynierii i architekturze. Przedstawione przykłady dowodzą, że dzięki odpowiednim technologiom i podejściu projektowemu możliwe jest nadanie odpadom kompozytowym realnej wartości użytkowej, zatem w kontekście rosnącej presji recyklingowej i konieczności zamykania obiegu materiałowego, dalsze badania nad zastosowaniami wtórnymi łopat powinny stać się jednym z priorytetów towarzyszących rozwojowi energetyki odnawialnej.

---

Bibliografia

[1] P. Liu i C. Y. Barlow, „Wind turbine blade waste in 2050” Waste Management 62, pp.229-240, 2017.
[2] G. Lichtenegger, A. A. Rentizelas, N. Trivyza i S. Siegl, „Offshore and onshore wind turbine blade waste material forecast at a regional level in Europe until 2050” Waste Management, vol. 106, pp. 120-131, 2020.
[3] S. T. Tayebi, M. Sambucci i M. Valente, „Waste Management of Wind Turbine Blades: A Comprehensive Review on Available Recycling Technologies with A Focus on Overcoming Potential Environmental Hazards Caused by Microplastic Production” sustainability, 2024, 16, 4517.
[4] R. M. Gonçalves, A. Martinho i J. P. Oliveira, „Recycling of Reinforced Glass Fibers Waste: Current Status” Materials, 2022, 15, 1596.
[5] C. Martin, „Wind Turbine Blades Can’t Be Recycled, So They’re Piling Up in Landfills” Bloomberg, 5 Luty 2020. [Online]. Available: https://www.bloomberg.com/news/features/2020-02-05/wind-turbine-blades-can-tberecycled- so-they-re-piling-up-in-landfills..
[6] B. Rasmussen, Artist, Getty Images, 2019.
[7] E. B. Paulsen i P. Enevoldsen, „A Multidisciplinary Review of Recycling Methods for End-of-LifeWind Turbine Blades” Energies, 2021.
[8] R. Hassa, J. Mrzigod i J. Nowakowski, „Podręczny słownik chemiczny” Katowice: Videograf II, 2004, p. 368.
[9] R. Fonte i G. Xydis, „Wind turbine blade recycling: An evaluation of the European market potential for recycled composite materials” Journal of Environmental Management 287, p. 2, 2021.
[10] H. van der Mijle Meijer, J. Peeringa, M. Klösters, L. Heldring, S. Mancini, J. Breuer i R. Peuchen, „Technical, economic and environmental effects and public perception of wind turbine blade life cycle management” EoLo Hubs, 2024.
[11] T. Siwowski, M. Kulpa i M. Rajchel, „Pierwszy na świecie obiekt mostowy wykonany z recyklowanych łopat turbin wiatrowych” ResearchGate, 2022.
[12] J. Beausejour,, „Repurposing Wind Turbine Blades – Sustainability and Circular Design Strategies” TU Delft, 2019.
[13] J. Joustra, Artist, Wikado playground in Rotterdam.
[14] J. Joustra, B. Flipsen i R. Balkenende, „Structural reuse of high end composite products: A design case study on wind turbine blades” Resources, Conservation & Recycling, p. 167, 2021.
[15] J. Zembrzuski, M. Miśkiewicz, A. Sabik, Ł. Pyrzowski, J. Chróścielewski i K. Wilde, „Przegląd aplikacji zużytych łopat turbin wiatrowych na potrzeby budownictwa infrastrukturalnego” Mosty - budowa, wzmacnianie, przebudowa, czerwiec 2023.
[16] A. Błędzki, M. Urbaniak, A. Adamcio, M. Sobczyk, S. Demski, A. Boczkowska, H. Seidlitz i M. Köhler, „Ponowne wykorzystanie i recykling kompozytowych łopat turbin wiatrowych. Przegląd obecnych praktyk i perspektywy. Część III,” 2024.
[17] Pat. pol. P.435138, 2022.