新冠大流行是能源市場有史以來面臨的最嚴重的破壞之一。由於對化石燃料的大量撤資、氣候變化政策和脫碳形勢,造成人們對未來傳統能源非常悲觀。
突然之間,每個人似乎都轉向一個方向:我們必須大幅增加對可再生能源的投資,減少對高碳燃料的過度依賴。
風能,最易於利用且最高效的可再生「發電燃料」,也是碳排放最低的能源之一,它在我們的清潔能源轉型過程中具有特殊的地位,這並不奇怪。特別是發展正處在鼎盛時期的海上風電,到2020年上半年,海上風電投資額翻了兩番,達到350億美元,是Covid-19危機期間所有能源行業中增長最快的一個。
環境危機
風力發電向附近用戶提供了最便宜、最清潔的電力及最低的環境足跡。可是現在,風力發電卻呈現出一場無法預見的環境「噩夢」:成千上萬臺老化的風力渦輪機的葉片即將「壽終正寢」,其中大部分只能在垃圾填埋場中被處理填埋。
許多清潔能源愛好者不知道的是,風力渦輪機葉片通常由不可生物降解的玻璃纖維或碳纖維材料製成,這意味著它們註定要永遠「躺」在土坑中,並造成另一個環境難題。
風力發電實際上是無碳的,大約 85% 的渦輪機組件,包括鋼構、齒輪、銅線和電子傳動裝置,很容易回收或再利用。現代風力渦輪機大多由鋼材製成,這種材料易於回收利用。
然而,渦輪葉片則完全不同
常規的渦輪機必須承受巨大的壓力,因為傳統的渦輪機轉速可以達到每小時180英裡,會產生巨大的離心力和其他高衝擊型應力。此外,海上風力渦輪機經常遇到特別惡劣的天氣條件,包括5級風暴,導致葉片質量隨著時間的推移而顯著惡化。為了確保風力渦輪機滿足強度和多功能性的要求,及可靠運行至少要20年左右,風力渦輪機的葉片通常由纖維/樹脂複合材料製成。
很遺憾,迄今為止,這些材料已經被證明是特別難以回收的。
再加上普通渦輪機葉片的絕對尺寸和體積:渦輪機葉片的長度可能比波音747機翼還要長,從而使其難以搬運和運輸。為了大致了解其絕對尺寸,請考慮在 2018 年三菱重工(MHI)維斯塔斯(Vestas)公司為海上風電推出的第一臺商用容量達兩位數的渦輪機—— V164-10.0 MW,其葉片長 80 米,每個葉片重達 35 噸,尖端高度約為 187 米。與此同時,通用電氣(GE)可再生能源公司目前正在開發Haliade-X 12MW,這是一臺容量為12兆瓦,葉片長度為107米,高度為260米的巨型渦輪機。
考慮到它們龐大的體型,要想讓它們到最終的安放地點,第一步通常要使用鑲有鑽石的工業鋸把柔軟的玻璃纖維鋸開,分割成更小的碎片固定在牽引式拖車上。
但問題遠沒有就此結束。風力發電場往往是分階段安裝和調試的,這意味著大量葉片可同時到達其使用壽命,從而缺乏足夠的儲存空間或專門的設備來應對它們大批量報廢的廢料處理設施。更糟糕的是,一些研究發現,風力渦輪機的磨損時間比通常規定的20-25年的預期壽命要快得多。
未來的解決方案
目前形勢似乎令人擔憂,要知道風能的革命才剛剛開始。
2019年,美國風電行業安裝了9143兆瓦的新設施,這在美國歷史上新投風電設施的裝機容量排名中佔第三位。根據美國風能協會(AWEA)的最新能源報告,到今年年底,美國風電總裝機容量將達到10.56萬兆瓦,約佔全國能源需求的2.5%。這使得可再生能源成為美國能源結構中首次超過煤炭的能源。
但這一切可能看起來,很快就像是新興行業的一場「彩排」。
國際能源機構(IEA)預測,到2040年,海上風電將成為一個價值1萬億美元的產業。與此同時,國際貿易協會全球風能理事會(Global Wind Energy Council)估計,到2030年,全球風電容量將達到211萬兆瓦,即增加近4倍,並提供全球20%的電力。這將創造240萬個新的就業崗位,並減少超過33億噸的二氧化碳排放量。
這也意味著必須處理數百萬噸額外的風力渦輪機廢料。
值得慶幸的是,行業專家已經在努力尋找解決方案,以應對日益嚴重的風電威脅。
雖然三葉片式渦輪機已成為清潔能源發電的標準模式,但這種情況可能不會持續太久,因為工程師們正在尋找更高效、更具成本效益的渦輪模式。一種被大眾所認可的未來設計是無葉片風力渦輪機。Vortex Bladeless公司已經創建了利用風塔陀螺儀運動產生電能的無葉片渦輪機原型。該公司表示,這種設計的成本可能會比傳統渦輪機低50%,且耐磨性更好。
其他公司已經意識到,永久地掩埋渦輪葉片並不是長期可行的解決方案,並且正在開發新的解決方案來擺脫已退役的渦輪葉片。其中一家公司是全球玻璃纖維解決方案(Global Fiberglass Solutions)公司,這是一家初創公司,它使用如溶劑分解或熱解等的化學方法,在高溫下破壞粘合劑材料,將纖維留下以便單獨進行處理,並將所得材料壓製成可用於地板和牆壁的顆粒物和纖維板。
Global Fibreglass 公司表示,他們可以有效地處理99.9%的標準渦輪葉片,並且每家工廠每年可處理6,000-7,000個葉片。但是,在建築行業開始接受使用渦輪機碎片作為建築材料的想法升溫之前,愛荷華州的米爾斯湖(Lake Mills),南達科他州的蘇福爾斯(Sioux Falls)及懷俄明州凱斯普卡斯珀(Casper)的少數市政和商業垃圾填埋場就在接受這些垃圾,預計他們會一直忙得不可開交。
與此同時,龐大的廢料管理公司(Waste Management Inc.)正與可再生能源公司密切合作,為風力渦輪機葉片的處理,回收和清理工作開發有效的解決方案。