Dekarbonisierung des Dekarbonisierungs-Gezeitenenergieprojekts

Wie ein rekordverdächtiges Gezeitenenergieprojekt im New Yorker East River Forschern dabei hilft, neue, recycelbare Materialien für die Technologie im Bereich erneuerbare Energien zu erforschen

Die Klingen sind zurück und werden zerkleinert, eingetaucht und gedehnt.

An einem grauen, nebligen Tag im Mai 2021 transportierte ein rostiger Lastkahn drei schuppengroße Gezeitenturbinen – jede auf den Spitzen eines dreieckigen Stahlrahmens montiert – durch den East River in New York City. Obwohl die drei Turbinen identisch zu sein schienen, war eine davon ein Doppelgänger, gebaut aus einer völlig neuen Art von Harz, das dazu beitragen könnte, selbst die nachhaltigsten sauberen Energietechnologien wie Gezeitenenergieturbinen zu dekarbonisieren.

„Wir dekarbonisieren den Energiesektor, aber wir müssen auch die Dekarbonisierung dekarbonisieren“, sagte Robynne Murray, Forschungsingenieurin am National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Harze sind wie Klebstoff. Sie binden Fragmente anderer Materialien wie Glasfaser zusammen, um die robusten Verbundwerkstoffe zu bilden, die in vielen Rotorblättern von Gezeiten- und Windkraftanlagen verwendet werden. Aber einige dieser Klebstoffe, wie das beliebte Epoxidharz, sind ein Problem: Sobald sie erhitzt werden, um feste, langlebige Klingen zu bilden, können sie nicht einfach umgewandelt und recycelt werden.

Aber Murray und sein Team haben ein neuartiges Material namens thermoplastisches Harz entwickelt, das nicht nur einfacher zu recyceln ist, sondern auch besser geeignet ist, dem korrosiven Salzwasser des East River – oder jedem anderen vielversprechenden Gezeitenenergiestandort – zu widerstehen. Das bedeutet, dass ihr neues Harz eine Win-Win-Situation für die Dekarbonisierung sein könnte, wenn das Material sein Potenzial in der realen Welt unter Beweis stellen kann.

Und das tat es.

Für die sechsmonatiger East River-Einsatz im Jahr 2021, NREL ist im Rahmen seines Roosevelt Island Tidal Energy Project eine Partnerschaft mit dem Gezeitenenergieunternehmen Verdant Power eingegangen, das vom Water Power Technologies Office des US-Energieministeriums finanziert wird. Das Gerät von Verdant Power, das drei Turbinen enthielt – zwei aus herkömmlichem Epoxidharz und eine aus thermoplastischem Harz von NREL – stellte einen US-Rekord für die Branche auf und erzeugte etwa 312 Megawattstunden Energie, die zweithöchste Menge, die bei einem Meeresenergieprojekt produziert wurde, und ausreichend um etwa tausend Haushalte mit Strom zu versorgen.

Die bahnbrechenden Rotorblätter aus thermoplastischem Verbundwerkstoff überstanden ihren Einsatz nicht nur, sie überstanden ihn sogar mit Bravour. Im Gegensatz zu ihren Gegenstücken aus Epoxidharz erlitten die Rotorblätter während ihres Einsatzes keine strukturellen Schäden. Und das Material hat auch seine Festigkeit vor dem Einsatz beibehalten. Obwohl ein Softwareproblem das NREL-Team daran hinderte, einige der von Sensoren an den Rotorblättern der Turbine gesammelten Daten zu speichern, überlebte die gesamte Datenerfassungshardware – einschließlich dieser Sensoren und des Geräts zur Speicherung der Daten – das raue Salzwasser.

„Jedes Mal, wenn man etwas zum ersten Mal macht, geht man irgendwie davon aus, dass es nicht perfekt laufen wird, selbst wenn man sein Bestes gibt, um alle Risiken anzugehen“, sagte Murray. Aber abgesehen von einem kurzfristigen Softwareproblem und einer Pandemie, die NREL-Leute daran hinderte, nach New York City zu reisen, verlief der Prozess besser als erwartet. „Es war auf jeden Fall ermutigend zu sehen, wie gut die Hardware unter Wasser funktioniert“, sagte Murray.

Aber der Fluss war nur der Anfang.

Jetzt, zurück im Laborgebäude in Colorado, haben Murray und sein Team bereits ihre thermoplastischen Klingen von der Nabe abgeschnitten und sie in sogenannte Coupons geschnitten, bei denen es sich um rechteckige Stücke handelt, die so klein wie Briefmarken oder so groß wie Zeitschriften sind. Selbst wenn die Klingen den Fluss überstanden haben, möchte das Team ihren Bruchpunkt finden – im wahrsten Sinne des Wortes. Beispielsweise planen Murray und ihr Team, Klammern an einem Coupon anzubringen, die so lange ziehen und ziehen, bis das Material reißt. Andere Coupons werden in Salzwasser eingeweicht, um zu sehen, wie tief das Wasser im Laufe der Zeit in das Material eindringt und ob sich diese Sättigung auf die Festigkeit des Materials auswirkt.

„Wir wissen nicht wirklich, wie gesättigt sie waren, als wir sie aus dem Wasser holten“, sagte Murray. Normalerweise, erklärte Murray, hätte ihr Team die Rotorblätter vor und nach dem Einsatz gewogen, um herauszufinden, wie viel Wasser sie absorbierten. Da die Rotorblätter jedoch bereits an der kräftigen Nabe befestigt waren, konnte ihr Gewicht nicht genau gemessen werden.

„Das ist schade“, sagte Murray. „Wenn es Dinge gibt, die wir in den Testergebnissen sehen, liegt das daran, dass Wasser eingedrungen ist, oder ist es nur eine natürliche Veränderung, die mit den Materialien passiert?“

Das versuchen sie und das Team jetzt herauszufinden. „Wir müssen die Leistung des Materials wirklich vollständig verstehen, bevor wir entscheiden können, ob es sich lohnt, es als Industrie zu übernehmen“, sagte Murray.

Und sie geht diese große, branchenverändernde Frage nicht allein an.

„Jetzt können wir mit der Ermittlungsarbeit beginnen“, sagte Paul Murdy, Maschinenbauingenieur bei NREL und Murrays Partner beim Zerkleinern, Brechen und Einweichen neuartiger Meeresenergiematerialien, einschließlich der thermoplastischen Rotorblätter. Der Thermoplast habe bislang eine gute Leistung erbracht, sagte Murdy. Mit ihren Materialmanipulationen können sie nun genau analysieren, wie sich das Material von herkömmlichen Standardmaterialien wie Epoxidharz-Verbundwerkstoffen unterscheidet.

Obwohl Murray Thermoplaste als potenzielle Möglichkeit sieht, nachhaltigere, recycelbare Verbundwerkstoffe für Wind- und Gezeitenturbinenblätter herzustellen, räumt sie auch ein, dass diese Materialien möglicherweise nicht für alle Energieanwendungen die beste Wahl sind. Die Materialien neigen zum Kriechen, was bedeutet, dass sie sich mit der Zeit langsam verformen können. Und selbst wenn Menschen eine ganze Menge Dinge unter Wasser gebracht haben, gibt es immer noch viel zu lernen darüber, wie neuere Materialien wie thermoplastische Verbundwerkstoffe mit einer manchmal anstrengenden, salzigen Umgebung umgehen.

Diese Tests nach dem Einsatz können Murray und seinem Team sowie Meeresenergieunternehmen dabei helfen, besser zu verstehen, wie sich Thermoplaste behaupten. Und diese Informationen könnten dabei helfen, festzustellen, ob sie für Wind- und Gezeitenturbinen oder sogar andere erneuerbare Energietechnologien gut geeignet sind.

„Es ist ein Schritt in die richtige Richtung, hin zu besseren Materialien für die Energieindustrie“, sagte Murray. „Und ich denke, dass es einen Platz für Thermoplaste geben wird. Es kommt nur darauf an, in welchen Strukturen es sein wird.“

Sie und andere Materialexperten am NREL prüfen auch andere Optionen, etwa ein recycelbares Epoxidharz, das auf pflanzlicher Basis hergestellt werden kann und mit erdölbasierten Produkten konkurrieren könnte.

„Die heutigen Materialien sind hinsichtlich der strukturellen Leistung den Herausforderungen gewachsen“, sagte Murray. „Aber sie werden typischerweise aus fossilen Brennstoffen gewonnen und sind nicht recycelbar. Egal, ob es sich nun um Thermoplaste oder ein anderes recycelbares Material handelt, das in Zukunft auf dem Vormarsch ist, es kommt darauf an, woher unsere Materialien kommen.“

Erfahren Sie mehr über NRELs neuartige Materialien und ihre Rolle bei der Dekarbonisierung der Dekarbonisierung. Und schauen Sie sich NRELs an Ausbildung zur Herstellung von Verbundwerkstoffen und Technologieeinrichtung wo viele dieser Materialien hergestellt werden.

Von Caitlin McDermott-Murphy, Artikel von NREL