저분자를 통해 풍력 터빈 블레이드 폐기물에서 수지와 섬유를 모두 재활용

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9270(2023) 이 기사 인용

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풍력 에너지는 전 세계적으로 상당한 성장 잠재력과 적용 가능성을 갖고 있지만, 매년 풍력 터빈 블레이드의 약 2.4%를 폐기해야 합니다. 블레이드 구성 요소의 대부분은 재활용이 가능합니다. 그러나 윈드 블레이드는 거의 재활용되지 않습니다. 본 연구에서는 수명이 다한 풍력 터빈 블레이드를 재활용하기 위해 에스테르 그룹을 포함하는 폐기물 복합 재료를 용해시키는 동적 반응을 기반으로 하는 소분자 보조 기술과 관련된 대체 방법이 제시되었습니다. 이 효과적인 공정을 위해서는 200°C 이하의 온도가 필요하며, 주요 성분인 수지가 쉽게 용해될 수 있습니다. 이 방법은 풍력 터빈 블레이드 및 섬유와 수지로 구성된 탄소 섬유 복합재와 같은 복합 재료를 재활용하는 데 적용될 수 있습니다. 폐기물에 따라 최대 100%의 수지 분해 수율을 달성할 수 있습니다. 재활용 공정에 사용되는 용액은 여러 번 재사용할 수 있으며 수지 기반 구성 요소를 얻고 이러한 유형의 재료에 대한 폐쇄 루프를 만드는 데 재사용할 수 있습니다.

풍력은 무한한 자원과 효율적인 활용 기술을 갖춘 완전 재생 에너지원입니다. 유럽, 중국 및 해상 풍력 터빈은 2020년에 93GW 이상, 총 742.7GW1를 설치하여 새로운 기록을 세웠습니다. EU는 신규 건설로 풍력 에너지 용량이 205GW2에서 2030년까지 323GW로 늘어날 것으로 예상하고 있습니다. 풍력 에너지는 EU 전력의 15%를 공급하며, 2030년까지 30%를 공급할 예정입니다. 2020년에서 2030년 사이에 많은 2000년대 풍력 터빈이 폐기 및 해체를 거치게 될 것입니다3,4. 독일, 스페인, 덴마크는 유럽에 설치된 풍력 터빈의 41~57%를 보유하고 있으며, 활용 시간은 2020년 기준으로 15년 이상에 달합니다5,6. 2021년에는 20년 지원 만료로 인해 총 4GW 풍력 터빈(6,000개 터빈)의 전력이 폐기될 수 있습니다7. 매년 유럽 전체 풍력 터빈 블레이드의 2.4%가 교체됩니다8. 풍력 블레이드와 같은 대형 복합 재료는 거의 재활용되지 않으며9,10,11,12,13 많은 분해 및 매립 블레이드는 환경에 부담을 주어 화학적 에너지 손실과 재활용 가능성이 있는 재료를 초래합니다.

풍력 터빈 블레이드는 열가소성 코팅, 열경화성/유리 및 탄소 섬유 복합재14, 탄소 섬유, 발사 목재 및 접착제15를 포함하는 복잡한 구성을 가지고 있습니다. 이 구성은 재료 분리 및 분리된 부분의 추가 재사용을 매우 어렵게 만듭니다. 추가로 1kW의 풍력 발전을 설치하려면 블레이드 재료20를 포함하여 12-15kg의 복합재가 필요합니다. 외부 층 복합재의 가교된 열경화성 폴리머는 녹거나 재성형될 수 없으므로 재활용의 초기 단계에서도 문제가 발생합니다. 기계적27,28,29,30, 열적31 및 화학적32,33,34,35,36 열경화성 복합재 재활용 방법이 연구자에 의해 개발되었습니다. 열분해 및 가스화 열 재활용 기술의 TRL 등급은 각각 9 및 5/6입니다37,38. 불행하게도 500°C를 초과하는 온도의 열분해 조건은 산화 잔류물, 숯 또는 화학 구조를 유지하여 섬유를 손상시킬 수 있습니다. 또한 항상 경제적이지는 않으며 적합성은 사용되는 기술에 따라 달라집니다. 열 변환 공정을 자열 공정으로 수행하려면 공정에서 방출되는 휘발성 물질의 일부 ​​또는 전부를 사용해야 합니다. 결과적으로, 그러한 스트림에서 회수할 수 있는 유기 화합물의 대부분은 아니지만 일부가 손실됩니다. 또한 열 변환 공정에서는 사용 전 증류, 수소탈산소화 또는 수소화분해와 같은 추가 고온 공정이 필요한 복잡한 혼합물이 생성됩니다. 이 연구에 사용된 가용매분해는 깨끗하고 손상되지 않은 섬유를 회수하고 수지를 재사용하며, 이는 섬유 강화 수지 복합재 루프를 닫을 수 있습니다. 상당한 양의 용매를 수집하고 재도입할 수 있는 고온(열분해 또는 가스화보다 낮음)과 고압 조건으로 인해 이 기술은 비효율적이고 에너지 집약적입니다. 이 방법은 TRL이 5/626,40임에도 불구하고 항목의 비용 대비 가치 비율이 가장 높습니다.