新冠大流行是能源市场有史以来面临的最严重的破坏之一。由于对化石燃料的大量撤资、气候变化政策和脱碳形势,造成人们对未来传统能源非常悲观。
突然之间,每个人似乎都转向一个方向:我们必须大幅增加对可再生能源的投资,减少对高碳燃料的过度依赖。
风能,最易于利用且最高效的可再生“发电燃料”,也是碳排放最低的能源之一,它在我们的清洁能源转型过程中具有特殊的地位,这并不奇怪。特别是发展正处在鼎盛时期的海上风电,到2020年上半年,海上风电投资额翻了两番,达到350亿美元,是Covid-19危机期间所有能源行业中增长最快的一个。
环境危机
风力发电向附近用户提供了最便宜、最清洁的电力及最低的环境足迹。可是现在,风力发电却呈现出一场无法预见的环境“噩梦”:成千上万台老化的风力涡轮机的叶片即将“寿终正寝”,其中大部分只能在垃圾填埋场中被处理填埋。
许多清洁能源爱好者不知道的是,风力涡轮机叶片通常由不可生物降解的玻璃纤维或碳纤维材料制成,这意味着它们注定要永远“躺”在土坑中,并造成另一个环境难题。
风力发电实际上是无碳的,大约 85% 的涡轮机组件,包括钢构、齿轮、铜线和电子传动装置,很容易回收或再利用。现代风力涡轮机大多由钢材制成,这种材料易于回收利用。
然而,涡轮叶片则完全不同
常规的涡轮机必须承受巨大的压力,因为传统的涡轮机转速可以达到每小时180英里,会产生巨大的离心力和其他高冲击型应力。此外,海上风力涡轮机经常遇到特别恶劣的天气条件,包括5级风暴,导致叶片质量随着时间的推移而显著恶化。为了确保风力涡轮机满足强度和多功能性的要求,及可靠运行至少要20年左右,风力涡轮机的叶片通常由纤维/树脂复合材料制成。
很遗憾,迄今为止,这些材料已经被证明是特别难以回收的。
再加上普通涡轮机叶片的绝对尺寸和体积:涡轮机叶片的长度可能比波音747机翼还要长,从而使其难以搬运和运输。为了大致了解其绝对尺寸,请考虑在 2018 年三菱重工(MHI)维斯塔斯(Vestas)公司为海上风电推出的第一台商用容量达两位数的涡轮机—— V164-10.0 MW,其叶片长 80 米,每个叶片重达 35 吨,尖端高度约为 187 米。与此同时,通用电气(GE)可再生能源公司目前正在开发Haliade-X 12MW,这是一台容量为12兆瓦,叶片长度为107米,高度为260米的巨型涡轮机。
考虑到它们庞大的体型,要想让它们到最终的安放地点,第一步通常要使用镶有钻石的工业锯把柔软的玻璃纤维锯开,分割成更小的碎片固定在牵引式拖车上。
但问题远没有就此结束。风力发电场往往是分阶段安装和调试的,这意味着大量叶片可同时到达其使用寿命,从而缺乏足够的储存空间或专门的设备来应对它们大批量报废的废料处理设施。更糟糕的是,一些研究发现,风力涡轮机的磨损时间比通常规定的20-25年的预期寿命要快得多。
未来的解决方案
目前形势似乎令人担忧,要知道风能的革命才刚刚开始。
2019年,美国风电行业安装了9143兆瓦的新设施,这在美国历史上新投风电设施的装机容量排名中占第三位。根据美国风能协会(AWEA)的最新能源报告,到今年年底,美国风电总装机容量将达到10.56万兆瓦,约占全国能源需求的2.5%。这使得可再生能源成为美国能源结构中首次超过煤炭的能源。
但这一切可能看起来,很快就像是新兴行业的一场“彩排”。
国际能源机构(IEA)预测,到2040年,海上风电将成为一个价值1万亿美元的产业。与此同时,国际贸易协会全球风能理事会(Global Wind Energy Council)估计,到2030年,全球风电容量将达到211万兆瓦,即增加近4倍,并提供全球20%的电力。这将创造240万个新的就业岗位,并减少超过33亿吨的二氧化碳排放量。
这也意味着必须处理数百万吨额外的风力涡轮机废料。
值得庆幸的是,行业专家已经在努力寻找解决方案,以应对日益严重的风电威胁。
虽然三叶片式涡轮机已成为清洁能源发电的标准模式,但这种情况可能不会持续太久,因为工程师们正在寻找更高效、更具成本效益的涡轮模式。一种被大众所认可的未来设计是无叶片风力涡轮机。Vortex Bladeless公司已经创建了利用风塔陀螺仪运动产生电能的无叶片涡轮机原型。该公司表示,这种设计的成本可能会比传统涡轮机低50%,且耐磨性更好。
其他公司已经意识到,永久地掩埋涡轮叶片并不是长期可行的解决方案,并且正在开发新的解决方案来摆脱已退役的涡轮叶片。其中一家公司是全球玻璃纤维解决方案(Global Fiberglass Solutions)公司,这是一家初创公司,它使用如溶剂分解或热解等的化学方法,在高温下破坏粘合剂材料,将纤维留下以便单独进行处理,并将所得材料压制成可用于地板和墙壁的颗粒物和纤维板。
Global Fibreglass 公司表示,他们可以有效地处理99.9%的标准涡轮叶片,并且每家工厂每年可处理6,000-7,000个叶片。但是,在建筑行业开始接受使用涡轮机碎片作为建筑材料的想法升温之前,爱荷华州的米尔斯湖(Lake Mills),南达科他州的苏福尔斯(Sioux Falls)及怀俄明州凯斯普卡斯珀(Casper)的少数市政和商业垃圾填埋场就在接受这些垃圾,预计他们会一直忙得不可开交。
与此同时,庞大的废料管理公司(Waste Management Inc.)正与可再生能源公司密切合作,为风力涡轮机叶片的处理,回收和清理工作开发有效的解决方案。