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風電葉片回收現狀及展望
2021-08-30 來源:掌上風電
 當前及未來,海上風電與陸上風電均面臨風機葉片報廢回收問題。從目前國際上普遍通用的海上風電設施回收工藝來看,雖然90%的制作材料能夠實現回收利用,但其風電葉片,卻面臨著工序復雜、不可回收的挑戰。如何實現風電設施全生命周期的綠色處理,成為擺在全球風電行業面前的一道難題。
 
葉片回收問題的背景
 
1國際背景
 
對于歐美國家來說,由于風電技術起步較早,并且隨著全球風電裝機總量的不斷增長,安裝于本世紀初或更早的風電設施也進入了運營壽命的最終階段。對此,它們迫切需要合理的回收方案來解決燃眉之急。
 
歐洲風電行業協會WindEurope、歐洲化學工業委員會,以及歐洲復合材料工業協會三家機構聯合發布報告稱,未來三年歐洲將有超過1.4萬個風電葉片需要報廢回收,但目前歐洲風電行業內尚沒有經濟可行的大規模拆解回收風機葉片的方案,行業內合作出臺相應措施已迫在眉睫。根據報告統計的數據,在風電設施整機達到使用壽命后,報廢整機中有85%~90%的材料能夠實現回收利用,其中包括基座、塔筒以及其他零部件等。然而,風電葉片因材料特殊難以經過簡單加工回收利用,成為了當前歐洲風電行業面臨的巨大挑戰。據WindEurope統計,目前全球總計有超過250萬噸復合材料用于風電領域,預計到2023年,將有4萬~6萬噸風電葉片材料面臨報廢處理。
 
美國電力研究所的一項研究也顯示,在未來30年,美國風電葉片材料的報廢總量將超過210萬噸。據了解,美國風機葉片報廢大多在垃圾場進行填埋或露天堆放。2020年3月,彭博社曾報道稱,美國懷俄明州的多座陸上風電場退役,風機拆解后,有超過1000個報廢的玻璃纖維葉片堆積在空地上,每個葉片被切為數段,其處理方式僅僅是在當地堆積填埋。顯然,如果美國方面不采取積極措施以應對,這將可能對周邊生態環境造成一定的負面影響。
 
2國內背景
 
我國的風電產業的規模化發展是從2004年開始的,裝機容量當年達到70萬千瓦左右,2005年裝機規模超過100萬千瓦(126萬千瓦),2008年裝機規模首次突破1000萬千瓦(達到1212萬千瓦)。2004年兆瓦級風機進入市場,內蒙古龍源首次采用1.5MW機組,開啟大容量風機時代。
 
雖說我國的起步較晚,但由于市場量體較大,加之近些年發展迅速,風電設施的建設便隨之在我國版圖上遍地開花。到2019年年底,全國裝機規模達到2.09億千瓦的風電設施數量在13萬左右。風機千瓦的葉片復合材料用量基本在15公斤左右,復合材料的用量高達350-400萬噸。
 
眾所周知,在我國風電的“搖籃地”三北地區,由于開發較早,技術迭代速度加快,目前已有大量老舊風電機組在發電效率、穩定性方面存在運行問題。相關數據顯示,2025年我國預計將有超過1000萬千瓦風電設施到達“壽命”終點。它們面臨著三種命運,一是全部拆除換新;二是機組技改、系統升級;三是風機退役。但是對于風電葉片而言,由于其制作材料化學過程不能逆向,一旦固化成型后,無法返回原來的材料基體屬性,且不經過新的工藝處理無法降解。這便對國內的風電產業而言造成了相當嚴重的負擔——對海上風電領域也一樣:繼陸上風電正式平價后,海上風電也將在2022年正式退出國補,在面臨降本壓力的同時,如果無法在損失擴大之前給出可行方案,這便無疑是雪上加霜。
 
 
圖1 2000年至2018年我國新增和累計裝機的
 
風電機組平均功率
 
圖2 2018 年中國不同功率風電機組
 
新增裝機容量比例
 
風電設施的體積會隨著人類的需求不斷增加。在風機大型化趨勢下,葉片越來越長、塔筒越來越高、單機越來越大,葉片輪轂的重量以及總體占比同步上升,而風電葉片本就是是機組及配套設施中最難回收處理的部分,這就進一步增加了回收難度。
 
葉片回收發展現狀
目前全球范圍內使用較為廣泛的海上風電葉片材料依舊是由玻璃纖維增強的聚合物基復合材料加工而成,這一材料盡管抗壓、耐用性能優異,但卻不可回收利用,切割拆解工藝也十分復雜。盡管如此,隨著風電產業多年的發展,依舊有若干已被這一領域廣泛應用的葉片回收方案。
 
至于具體方案的實施,由于發展水平和國情的不同,世界上不同區域乃至不同國家的風電行業采取的解決方法都有所不同。
 
國際現狀
 
歐美地區近些年來退役風電設施規模較大,其廢料的回收問題也走進了媒體和大眾的視野。據歐洲《風電》雜志報道,英國、歐盟等國家及地區退役的絕大多數風機葉片采取填埋,或是打碎后。在業內看來,這一處理方式并不符合風電作為清潔能源的初衷。風機制造巨頭三菱重工維斯塔斯的首席執行官Philippe Kavafyan曾在一次采訪中提到:“我們生產清潔能源,并不意味著可以在生產制造過程中‘不清潔’。僅僅在風機葉片的生產過程中,工廠就會生產出大量不可忽視的垃圾。在風電成為電力供應主力的同時,行業更加應該意識到整體商業模式應該是可持續的。”在各方輿論和全球可持續發展的大背景下,用填埋的方式處理退役葉片必將逐漸退出歷史舞臺。歐洲風能協會WindEurope倡議,到2025年在歐盟和英國等主要風電市場,禁止使用填埋的方式處理風機退役葉片;同時呼吁政府鼓勵使用可回收再利用材料。目前,已有德國、荷蘭、奧地利和芬蘭頒布實施了垃圾填埋禁令。
 
復合材料回收成本之高,是整個問題的癥結所在。風電葉片隨著大批風電場在未來幾年達到最長設計使用壽命的葉片退役潮勢必產生巨大的影響。有關葉片填埋處理的禁令不僅將使風能行業在可持續發展的道路上邁出重要一步,也為制造業帶來絕無僅有的機會,使其能夠遵循風能行業的經驗,無需再摸著石頭過河。
 
一些歐洲國家在早期就對葉片回收進行了初步探索:荷蘭企業曾將報廢風電葉片用作游樂場的建筑材料或是城市公共座椅材料。但是這種回收方法的規模相當之小,無異于是杯水車薪。這也讓風電企業意識到,只有整個行業范圍內推行新的方案,才能從根本解決問題。
 
 
 
圖3 風電葉片制作的兒童娛樂設施
 
 
 
圖4 風電葉片制作的公園長椅
 
事實上,將廢棄風機葉片打碎、混合進入水泥并實現循環使用的工藝早已趨于成熟。2020年12月,美國能源企業GE可再生能源公司就曾宣布,與美國Veolia公司簽訂“多年合作協議”,處理美國風電場的退役風機葉片,將其打碎以替代水泥中砂礫、黏土等成分,進而循環利用進入建筑領域。美國CNBC新聞網援引咨詢公司Quantis的分析稱,將廢棄的風機葉片添加進水泥中不僅能夠實現循環利用,更能夠減少水泥制造過程中排放的二氧化碳總量,減排幅度可達27%。
 
國內現狀
 
如今我國的風電設施也將會迎來退役浪潮,再過短短數年,批量的風電機組將大規模的退出服役,而近幾年國內風電葉片的回收處理市場,都是一些零星的、作坊式的處理方式。
 
作為早期退役風機主要市場的“三北”地區,陸上風電已步入4.0MW時代。2021年6月22日,東方風電自研5.5S-172型永磁直驅風力發電機組成功投運,也標志著我國陸上風電正式步入6MW時代。
 
自2018年來,風電建設與環境保護的沖突頻發,隨著風電環保政策壓力的增大,葉片及風電固廢如何無害化處理、循環利用更加值得研究。
 
國內現階段的廢舊葉片處理工藝非常簡單,切割后部分用于板材再利用,總體來說,相比于歐美一些國家的回收方案,我們的工藝、技術及相關裝備都還在起步階段。隨著大規模的葉片退役,葉片的回收處理市場迎來高峰期,葉片回收所帶來的成本極高,必將對風電產業產生影響。根據國內的研究狀況來看,現階段沒有很好的解決方案——可以肯定的是,現有的方案肯定還不能達到環保和再利用的階段。而隨著風電產業在國內的降本風潮開始涌動,大兆瓦風電機是公認的平價時代降本增效的有效途徑,伴隨著葉片的回收再利用重要性逐漸凸顯,這恰恰是關系到風電行業能否長遠發展的亟需解決的問題。
 
目前我國存在三種較為主流的葉片回收方式:第一種是將葉片進行拆解,將材料進行重復利用,用于市政建設等領域;第二種是將葉片打碎,回收后添加進建筑材料,增強材料性能;第三種則是進行化學回收,分解后再進行重新利用。
 
在業內人士看來,現行的葉片回收辦法尚不能滿足大量報廢葉片的回收需求。雖然業內進行了諸多探索,但到目前為止,能夠大規模推廣的技術卻寥寥無幾。現在常用的處理方案存在不環保、技術不成熟、經濟性差等問題,難以產業化。與此同時,行業內存在監管缺失、產業政策支持不到位、惡性競爭等不良狀態,回收生態尚未建立,嚴重制約了風電產業的健康發展,在國家構建以新能源為主體的新型電力系統方針下,影響了風電產業的競爭力與持續發展潛力。
 
對于這一情況,國家或是企業都嚴陣以待。2021年7月27日,由鑒衡認證中心、金風科技、中材葉片等公司聯合發起的風電葉片綠色回收與應用聯合體正式成立,聯合體一方面通過制定葉片及玻璃鋼制品與退役回收相關工作環節的評價標準,實現葉片退役回收與各項現行工作的規范對接,為葉片再利用和回收提供支持和動力;另一方面將成立合作工作組,在專項資金的支持下進行技術攻關與項目示范,推動產業技術升級進步。來自風電開發商、整機制造商、葉片制造商、回收企業、第三方服務商在內的19家單位代表參會。風電葉片綠色回收與應用聯合體的成立包含了葉片廠、整機廠、開發商、葉片回收廠、包裝企業等,希望與行業各方專家共同發力,研究制定適用我國風電葉片及玻璃鋼制品回收再利用的技術,共同試驗不同技術路線的試點項目;建立、完善葉片及風電場退役回收的標準規范體系;創新合作模式,成立專項資金;并同步尋求政策支持,在多個方向同步開展工作,為風電葉片產業提供健康、可持續的發展路線。
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