Pale îngropate. Marea problemă a turbinelor eoliene

Europa va trebui să gestioneze deșeuri de până la 500.000 de tone de pale de turbine eoliene până în 2050, întrucât aceste componente nu sunt reciclabile. Industria lucrează la soluții de reciclare, dar efectele vor fi vizibile abia după 2040. Până atunci, palele sunt îngropate în pământ.

Vântul este o forță neîmblânzită.

Abraham Lincoln, președintele Statelor Unite ale Americii între 1861-1865.

Suntem în 1887. Profesorul James Blyth construiește prima moară de vânt din istorie care produce energie electrică, cu care își alimentează cabana de vacanță din satul scoțian Marykirk. Încântat de performanță, profesorul decide să ofere surplusul de curent electric pentru iluminarea străzii principale din sat. Legenda spune că refuzul sătenilor a venit prompt: “Este o lucrare diavolească”

Oamenii de știință ai vremii simt însă imediat oportunitatea. Pe parcursul următoarelor decenii, morile de vânt pentru producția de energie electrică devin tot mai complexe, în special datorită cercetărilor derulate de omul de știință danez Poul la Cour, considerat un pionier al energiei eoliene. 

Energia eoliană începe să fie luată cu adevărat în calcul de autorități abia după criza petrolului din 1973, care îl determină pe președintele american Jimmy Carter să semneze în 1978 un document prin care recunoaște necesitatea de a crește producția de energie electrică din surse regenerabile. 

Cu toate acestea, turbinele eoliene, așa cum le cunoaștem în prezent, devin cu adevărat populare în întreaga lume abia în prima parte a anilor 2000, pentru simplul motiv că abia acum sunt rentabile din punct de vedere economic. 

Patentul înregistrat de James Blyth pentru prima moară de vânt pentru producția de energie electrică.

Pe silențios dar de neoprit, electrificarea a luat pe sus lumea mobilității, cu avantaje evidente: o mașină electrică nu poluează, poate fi încărcată acum cu ușurință, presupune costuri reduse de întreținere și facilități fiscale. Misiunea Enel X Way este de accelera tranziția energetică în transport și construiește infrastructura de mobilitate în toată lumea.

Descoperă aici stațiile de încărcare potrivite pentru tine și mașina ta, acasă, la birou sau în tranzit.

Cum funcționează o turbină eoliană

Chiar dacă structura unei turbine eoliene pare simplă din exterior, în realitate această integrează numeroase componente. Pilonul metalic vertical este una dintre componentele cheie, întrucât trebuie să fie capabil să reziste vânturilor puternice. În interiorul acestui pilon sunt montate rețeaua de distribuție a energiei electrice, dar și scările de acces spre nacelă – o carcasă în care se găsesc numeroase componente, printre care invertorul și generatorul. 

În partea superioară a pilonului metalic este montat rotorul, o componentă care integrează un butuc de susținere pentru palele turbinei eoliene. 

Hai să vorbim un pic despre eficiența unei turbine eoliene. Știu, o să-mi spui că este extrem de simplu: cu cât bate vântul mai tare, cu atât turbina generează mai mult curent electric. Ei bine, ai dreptate doar parțial. La fel de importante sunt și densitatea aerului și forma palelor turbinei eoliene. 

Evident, palele turbinei eoliene joacă un rol esențial aici, pentru că acestea sunt singurele componente din întregul mecanism de producție al energiei electrice care intră în contact direct cu vântul. La fel cum anvelopele sunt cruciale pentru o mașină pentru că sunt singurele componente care au contact direct cu șoseaua. Palele eolienelor sunt produse într-o largă varietate de forme și dimensiuni, iar în prezent puterea acestora variază în general de la 100 kW la 12 MW. 

Pentru o eficiență cât mai bună, palele turbinelor eoliene trebuie să fie cât mai rezistente la acțiunea vântului, dar în același timp trebuie să fie cât mai ușoare, pentru a avea o viteză de rotație cât mai mare. Din acest motiv, palele turbinelor eoliene sunt produse din materiale compozite, în special fibră de sticlă și, mai recent, fibră de carbon. 

Sunt destul de sigur că ești deja familiar cu fibra de carbon. Datorită masei reduse și a rigidității sporite, fibra de carbon este utilizată frecvent și în industria aeronautică, dar este tot mai prezentă și în industria auto, în special în cazul modelelor din gama superioară de preț. De exemplu, găsești fibră de carbon în plafonul modelelor de performanță dezvoltate de BMW, dar și în anumite componente ale unor modele precum Bugatti Chiron, McLaren Senna sau Ford GT. Cel mai frecvent vei găsi însă fibra de carbon în competițiile de curse, în special în Formula 1

Cu toate acestea, aceste pale din fibră de carbon au și un dezavantaj major: sunt foarte greu de reciclat.

Cât timp funcționează o turbină eoliană?

O turbină eoliană de bună calitate poate fi utilizată timp de aproximativ 20 de ani. Durata exactă de viață a unei turbine depinde de numeroși factori, cum ar fi viteza vânturilor la care este supusă pe parcursul timpului și, mai ales, de respectarea procedurilor de mententanță periodică. Gestionate în mod corespunzător, turbinele pot fi folosite chiar și 25 de ani, însă perioada nu poate fi extinsă la nesfârșit, mai ales în contextul costurilor cu întreținerea, care cresc exponențial o dată cu “vârsta” turbinei. 

Întrucât turbinele eoliene au început să fie instalate pe scară largă la începutul anilor 2000, este lesne de înțeles că primele parcuri eoliene au ajuns sau se apropie cu pași mari de finalul perioadei de utilizare. Ce se întâmplă cu toate aceste instalații masive când nu mai pot fi utilizate și trebuie înlocuite? 

O întrebare extrem de importantă, mai ales în contextul în care o turbină eoliană are o masă semnificativă. De exemplu, o turbină eoliană de 1.5 MW, una dintre cele mai des folosite în Statele Unite în prezent, are o masă totală de 164 de tone, din care 36 de tone revin doar palelor. 

În funcție de companiile pe care le întrebi, undeva la 85%-90% din masa totală a unei turbine eoliene poate fi reciclată, întrucât este realizată în mare parte din oțel, ciment, cupru, cabluri, sisteme electronice sau diverse angrenaje, pentru care există deja proceduri standard de reciclare. Singura componenta pentru care nu s-a găsit încă o soluție viabilă pentru reciclare este reprezentată, așa cum spuneam mai sus, de palele turbinei eoliene. 

Este lesne de înțeles că omenirea se confruntă în prezent cu o problemă delicată: palele turbinelor eoliene, folosite pentru a produce energie electrică fără emisii de dioxid de carbon, generează deșeuri dificil de gestionat. Cât de mari sunt aceste deșeuri? O serie de studii internaționale, bazate pe datele cu privire la proiectele de parcuri eoliene, arată că deșeurile de pale de turbine eoliene vor ajunge în acest an la circa 50.000 de tone numai în Europa. Pentru anul 2050, estimările pentru Europa variază între 325.000 și 495.000 de tone de deșeuri de pale de turbine eoliene. La nivel global, cantitatea de deșeuri va depăși 2 milioane de tone, iar țara care va fi cea mai afectată de această problemă va fi China. 

Parc eolian. Foto: Dreamstime

De ce nu se reciclează palele turbinelor eoliene?

Oamenii de știință caută deja soluții pentru a putea recicla palele turbinelor eoliene, iar în acest sens sunt analizate o serie de opțiuni. Niciuna dintre ele nu este însă foarte eficientă. 

De exemplu, reciclarea mecanică a palelor turbinelor eoliene prespune strivirea și mărunțirea palelor în bucățele cu dimensiuni de până la 10 milimetri. Teoretic, materia rezultată poate fi utilizată în combinație cu materia primă clasică pentru producția de noi pale de turbine eoliene. Problema este că, chiar și atunci când noile pale de turbine conțin doar 10% materie reciclată, acestea au o rezistență mecanică semnificativ mai slabă, ceea ce înseamnă că respectivele pale ar avea o durată de viață mult mai mică decât cele “noi”. În plus, procesul mecanic de strivire a palelor generează cantități semnificative de praf care pot pune în pericol sănătatea muncitorilor implicați în acest proces. 

Între timp, reciclarea termică a palelor începe cu tăierea și mărunțirea palelor, adică cu prima parte a procesului de reciclare mecanică. Diferența este că materialul rezultat este descompus prin expunere la temperaturi ridicate cuprinse între 450 și 700 de grade Celsius. Rezultatul final este însă dezamăgitor: în cel mai bun caz, materia reciclată oferă cel mult 70% din rezistența palelor “noi”. În plus, trecerea prin procese mecanice și, mai ales, termice se face cu un consum ridicat de energie electrică, astfel că produsul final reciclat este mai scump de obținut decât materia primă folosită în mod obișnuit în producție.   

A treia metodă este reciclarea chimică. Aceasta implică folosirea unor procese de solvoliză – foarte pe scurt, solvoliza este o reacție chimică în care unul dintre reactivi este un solvent precum apa sau alcoolul. De regulă, reciclarea chimică implică utilizarea unor temperaturi de peste 200 de grade Celsius și presiuni de peste 200 de bari, care duc de asemenea la costuri de reciclare mai mari decât costurile cu prelucrarea materiei prime clasice. În plus, rezistența materiei reciclate este semnificativ mai scăzută decât în cazul materiei prime clasice. 

Toate aceste metode de reciclare sunt descrise în amănunt în studiul “The complex end-of-life of wind turbine blades: A review of the European context”.

Nacela și palele unei turbine eoliene. Foto: Dreamstime

Cimitirele de pale de turbine eoliene

Așa cum observi, niciuna dintre cele trei metode de reciclare nu este eficientă, indiferent că vorbim despre calitatea reciclării sau despre costurile asociate. Prin urmare, la finalul utilizării, cele mai multe pale de turbine eoliene sunt pur și simplu îngropate în pământ, întrucât acesta este cel mai simplu și ieftin proces prin care administratorii parcurilor eoliene scapă de aceste deșeuri. 

Dar în același timp este și o majoră problemă de mediu pe termen lung, care se va agrava pe măsură ce tot mai multe turbine eoliene vor ajunge la finalul perioadei de utilizare. De altfel, Germania, Olanda, Austria și Finlanda au introdus deja legislații prin care interzic îngroparea palelor în pământ, tocmai din considerente de mediu. Fără îndoială, măsura este una bună pentru locuitorii din țările respective, însă ce se va întâmpla totuși cu toate aceste deșeuri dacă toate țările ar adopta o astfel de politică? Le ducem pe vapor în Africa?

Aceleași caracteristici care fac ca palele turbinelor eoliene să fie eficiente și fiabile în timpul utilizării fac ca acestea să fie foarte dificil de reciclat într-o manieră eficiență din punct de vedere al costurilor. Întrucât reciclarea este prea scumpă, iar materialele reciclate valorează prea puțin, nu este realist să ne așteptăm la o soluție de reciclare eficientă pentru actualele pale aflate în uz. 

Peter Majewski, profesor la Universitatea Australia de Sud. 

Inovație: primele pale de turbine eoliene reciclabile 100%

Pe termen lung, speranțele vin de la Siemens Gamesa, o companie rezultată în urma fuziunii din 2016 dintre producătorii de turbine eoliene Gamesa (Spania) și Siemens Wind Power (Germania). În prezent, Siemens Gamesa este al doilea cel mai mare producător de turbine eoliene din lume, iar în septembrie 2021 a anunțat că a început producția de serie a primei turbine eoline din lume cu pale care vor putea fi 100% reciclate la sfârșitul perioadei de utilizare. 

Noile turbine au primit numele sugestiv RecyclableBlade și, din punct de vedere al compoziției,  palele sunt identice cu cele ale turbinelor moderne: sunt produse din fibră de sticlă, fibră de carbon, lemn și plastic de tip PET. Secretul este reprezentat de un nou tip de rășină epoxidică cu care sunt combinate toate aceste materiale pentru a forma o structură flexibilă și ușoară, iar această rășină a fost produsă de compania Aditya Birla Advanced Materials pe baza proiectului primit de la Siemens Gamesa. 

Avantajul noului tip de rășină este că, la finalul utilizării, aceasta permite separarea de fibra de sticlă, plastic, lemn și alte metale după introducerea palelor într-o soluție de acid. Materialele astfel separate vor putea fi apoi recuperate din soluția de acid și, după uscare, vor putea fi folosite în noi produse din alte domenii, inclusiv în industria auto. 

Pentru început, Siemens Gamesa a produs 6 turbine RecyclableBlades la uzina din localitatea daneză Aalborg, care au fost achiziționate de 3 companii pentru a fi utilizate în parcuri eoliene din Germania și în două proiecte offshore (în largul mării). Compania anticipează că aceste turbine vor putea fi folosite până în preajma anului 2040, când vor intra în procesul de reciclare menționat anterior. 

Între timp, compania daneză Vestas, cel mai mare producător de turbine eoliene din lume, a anunțat tot în 2021 că a dezvoltat la rândul ei împreună cu partenerii de la DreamWind o rășină epoxidică cu proprietăți asemănătoare. În acest caz, procesul de reciclare este ușor diferit, dar are același rezultat: rășina epoxidică este separată de materiale. În plus, materialele reciclate pot fi folosite pentru producția de noi pale pentru turbine eoliene. Există însă și un “dar”: procedeul a fost validat doar în laborator, iar Vestas afirmă că primele sale pale complet reciclabile vor fi produse începând din 2024. 

Ce zici de turbine eoliene fără pale?

Se spune frecvent că marile corporații reacționează greu la schimbările care apar pe piață, iar Nokia e poate cel mai bun exemplu dacă ne gândim la piața smartphone-urilor. Uneori, revoluția vine din partea unor companii deja bine închegate, precum Apple, dar alteori vine din ambiția unor antreprenori necunoscuți. Ei bine, revoluția în domeniul palelor turbinelor eoliene ar putea veni de la niște start-up-uri care încă mai caută finanțare pentru a-și implementa ideile aparent ciudate. 

O astfel de idee aparent ciudată este dezvoltarea unor turbine eoliene fără pale. Ai citit bine. Dar stai, palele sunt practic componenta esențială a unei turbine eoliene, nu-i așa? Hmm, depinde care-i scopul turbinei.  

Vortex Bladeless este un start-up fondat la Madrid cu numai 6 angajați care produce o turbină eoliană sub forma unui cilindru cu o înălțime de 3 metri care are o formă ușor curbată în partea superioară. Turbina este montată în pământ pe o tijă elastică, care permite apariția unor vibrații în momentul în care bate vântul. Aceste vibrații sunt folosite pentru generarea de energie electrică. 

Principalul avantaj este că o astfel de turbină poate fi folosită în zone rezidențiale, unde nu există spațiu suficient pentru turbinele eoliene clasice. Nu reprezintă o concurență pentru panourile solare, ci mai degrabă o soluție complementară. 

Panourile solare produc electricitate pe timpul zilei, în timp ce turbina Vortex Bladeless poate produce energie electrică pe timpul nopții, când statistic viteza vântului tinde să fie mai mare. Principalele avantaje ale tehnologiei sunt însă reducerea impactului asupra mediului înconjurător, aspectul vizual și costurile de operare și mentenanță. 

David Yáñez, fondatorul start-up-ului Vortex Bladeless

Tehnologia dezvoltată de Vortex Bladeless a atras deja atenția celor de la Equinor, o companie energetică deținută de statul norvegian, care va finanța start-up-ul spaniol pentru a continua dezvoltarea acestor turbine. Scopul final?

În prezent, turbina este mică și generează cantități mici de energie electrică. Dar căutăm un partener industrial pentru a dezvolta o turbină cu o înălțime de 140 de metri cu o capacitate de 1 MW.

David Yáñez, fondatorul start-up-ului Vortex Bladeless

Știi povestea clasică: Google și-a început activitatea într-un garaj. Ei bine, britanicii de la Alpha 311 au început într-o grădină a unei locuințe din Kent, acolo unde au conceput o turbină eoliană verticală cu înălțimea de 2 metri care, de asemenea, nu folosește pale. Bine, este impropriu spus turbină eoliană, pentru că dispozitul nici măcar nu are nevoie de vânt pentru a genera energie electrică. 

Conceptul este mult mai simplu: în loc să funcționeze prin vibrațiile generate de vânt, turbina dezvoltată de Alpha 311 obține energie electrică prin vibrațiile turbinei generate de… traficul rutier. Amplasată în imediata apropiere a unei autostrăzi, o astfel de turbină se folosește de circulația aerului generată de trecerea mașinilor pe autostradă. O serie de cercetări independente au arătat că o astfel de turbină poate genera la fel de multă energie electrică ca un parc solar de 20 de metri pătrați. Ce înseamnă asta concret? Că o autostradă poate fi iluminată pe timp de noapte prin utilizarea unor astfel de turbine. 

Primul experiment cu turbine Alpha 311 este deja în desfășurare: în complexul Arena O2 din Londra au fost montate 10 turbine Alpha 311 cu înălțimea de un metru care pot produce până la 87 MWh de energie electrică pe an, suficient pentru a alimenta cu energie magazinele și restaurantele din cadrul complexului. 

Turbinele noastre pot fi montate oriunde, dar localizarea optimă este lângă o autostradă, mai ales că pot fi montate direct pe stâlpii de iluminat. 

Mike Shaw, purtător de cuvânt pentru Alpha 311

În fine, germanii de la SkySails au inventat o turbină eoliană aeriană care poate ajunge în mod autonom la o altitudine de 400 de metri, acolo unde vânturile sunt mai puternice decât cele de la nivelul solului. Pe parcursul ascensiunii, turbina “trage” de o frânghie conectată la sol prin intermediul unui troliu. Tot la sol se află și generatorul de energie electrică. 

Pentru moment, turbina poate genera cel mult 100-200 kW, însă SkySails a semnat recent un parteneriat cu gigantul energetic german RWE pentru a dezvolta turbine cu capacități de ordinul MW. 

Principiul de funcționare face ca astfel de turbine să poată fi utilizate mai degrabă în spații deschise, de preferat în zone rurale. 

Locuri de joacă pentru copii din pale de turbine eoliene

Noile proiecte de turbine eoliene complet reciclabile și de turbine eoliene de mici dimensiuni care nu au nevoie de pale vor contribui semnificativ la reducerea deșeurilor, însă acest lucru se va întâmpla doar în decursul următoarelor decenii. 

Până atunci, problema actualelor pale ale turbinelor rămâne cât se poate de actuală. Autoritățile locale din mai multe state europene caută deja soluții la îngroparea palelor, iar rezultatele sunt pe cât de inedite, pe atât de utile. 

De exemplu, Siemens Gamesa folosește pale de turbine eoliene pe post de adăpost pentru parcările de biciclete din Aalborg, acolo unde compania deține o uzină pentru producția de turbine eoliene. Ideea este utilă în contextul în care în portul Aalborg vânturile sunt foarte puternice, într-o țară în care 90% din populație deține o bicicletă. 

În Danemarca, palele turbinelor eoliene protejează bicicletele de ploaie și vânt. Foto: Siemems Gamesa

Între timp, olandezii au mers un pic mai departe. În Rotterdam, într-un parc de 1200 de metri pătrați, palele unor turbine eoliene dezafectate au fost folosite pentru construcția de tuneluri și tobogane pentru copii, în timp ce alte pale au fost transformate în bănci în două stații de autobuz din apropierea celebrului pod Erasmusbrug. 

În Olanda, copiii se joacă cu echipamente produse din palele turbinelor eoliene

România și energia eoliană

Realitatea este însă că soluțiile adoptate în Danemarca și Olanda pentru palele dezafectate reprezintă doar o picătură de apă în oceanul de pale care ajung să fie îngropate. Iar această problemă se va acutiza semnificativ până în preajma anului 2040, când vor fi scoase din uz primele turbine eoliene care pot fi reciclate integral. 

România ar trebui să fie direct interesată de identificarea unor soluții eficiente pentru scoaterea din uz a acestor pale. În țara noastră, parcurile eoliene au început să apară în masă începând din anul 2008, atunci când a fost adoptată prima legislație în acest sens (uite cum arăta legea publicată în Monitorul Oficial). Asta înseamnă că primele turbine eoliene aflate în prezent în funcțiune vor fi dezafectate începând din preajma anului 2028. Pare un termen relativ îndepărtat, însă parcă mai ieri ne strângeam în plină iarnă în Piața Victoriei în 2017. 

Pe parcursul celor 14 ani care au trecut de atunci, România a ajuns la parcuri eoliene cu o capacitate totală de 3 GW, iar viitorul sună mai mult decât promițător: compania germană WDP pregătește dezvoltarea unui parc eolian offshore în Marea Neagră de 1.9 GW, după ce va exista o legislație pentru astfel de proiecte. În plus, lituanienii de la Green Genius au proiecte de parcuri eoliene de 500 MW. Astfel, doar prin aceste noi proiecte, România poate ajunge să-și dubleze actuala capacitate într-un interval de numai câțiva ani. 

Interesant este că, în cadrul Planului Național Integrat în domeniul Energiei și Schimbărilor Climatice 2021-2030 (îl găsești aici și are peste 200 de pagini), statul anticipează că în 2030 România va ajunge la o capacitate instalată de 5.2 GW de energie electrică din parcuri eoliene. Probabil însă că estimările se referă doar la parcurile eoline onshore, nu și la potențialul încă neexplotat al parcurilor eoliene offshore. 

Iar România are nevoie de creșterea ponderii de energie electrică produsă din parcuri eoliene și parcuri solare, mai ales în contextul schimbărilor climatice, manifestate deja prin perioade de secetă care afectează hidrocentralele. De altfel, cea mai recentă ediție a Buletinului Statistic de Industrie editat de Institutul Național de Statistică arată că, în primele 5 luni ale anului, producția de energie electrică a hidrocentralelor a scăzut cu 25% comparativ cu perioada similară a anului trecut, în timp ce producția de energie electrică din parcuri eoliene a crescut cu 22% în același interval de timp. 

Cert este că, în contextul climei din Dobrogea, manifestată prin vânturi puternice regulate, România are un potențial de 14 GW de energie electrică din parcuri eoliene și este de departe cea mai “fertilă” țară la acest capitol din Europa de Sud-Est. 

În Europa, capacitatea totală instalată de parcuri eoliene este de 235 GW, din care 207 GW în parcuri eoliene onshore și 28 GW în proiecte offshore. Bătrânul Continent stă mult mai bine decât Statele Unite (135 GW), dar este semnificativ în urma Chinei, care a ajuns deja la 329 GW.

Capacitatea de energie eoliană instalată de-a lungul timpului în România, Statele Unite și China. Foto: Our World în Data

Cifrele din China nu ar trebui să te surprindă prea mult. Țara din Asia a devenit de ceva timp cel mai mare investitor din lume în proiecte de energie regenerabilă, iar în luna martie a acestui an a anunțat un proiect ambițios care prevede construirea unor capacități de producție de 450 GW de energie solară și energie eoliană în Deșertul Gobi și alte regiuni deșertice ale țării. 

Iar dacă totul merge conform planurilor, n-ar fi exclus ca într-un viitor nu prea îndepărtat să ne alimentăm mașinile electrice cu energie electrică de la vânt și de la soare. Până atunci trebuie însă să găsim o soluție la palele nereciclabile ale actualelor turbine eoliene.