Recycelbares, pflanzliches Material könnte bei der nächsten Generation von Windkraftanlagen eine Rolle spielen

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Vor etwa drei Jahren entdeckten Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL). Robynne Murray, Nicholas Rorrerund ihr Team machten sich auf die Mission, ein leicht zu recycelndes Harz herzustellen, das als zentraler Kleber dienen soll, der einen Rotorblatt einer Windkraftanlage zusammenhält.

Sie begannen damit, ihr Harz am Labortisch in fingerhutgroße Fläschchen zu formulieren. Und nach mehreren Runden des Experimentierens, der Feinabstimmung und der langsamen Skalierung konnte das Team mit seinem neuen Harz erfolgreich einen 9-Meter-Prototyp eines Windturbinenblatts (von der Größe eines Volleyballnetzes) konstruieren – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Einsatzreife des Materials Mainstream-Fertigung.

Spitzname PECAN, Das neue Harz weist eine neuartige Zusammensetzung auf, aber es ist weder aromatisiert noch mit seinem nussigen Namensvetter zubereitet. Stattdessen ist der Name ein Akronym, das die chemische Struktur des Materials darstellt (PolyEster Covalently Adaptable Network). Die Forscher entwickelten das PECAN-Harz mithilfe biobasierter Chemikalien, die leicht aus Pflanzenabfällen gewonnen werden können.

Jetzt denken Sie vielleicht: „Was bringt es, Pflanzenabfälle für die Herstellung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage zu verwenden?“

Die Antwort liegt in Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit.

Derzeit sind in den Vereinigten Staaten mehr als 70.000 Windkraftanlagen in Betrieb, und es wird erwartet, dass diese Zahl erheblich ansteigt, da das Land sich schneller auf den Weg zu einer Zukunft mit sauberer Energie macht. Tatsächlich wird das geschätzt Mehr als 2 Millionen Tonnen Rotorblattmaterialien für Windkraftanlagen wird bis 2050 in den Vereinigten Staaten eingesetzt.

Traditionell erfordern die meisten Harze, die in Rotorblättern von Windkraftanlagen verwendet werden, nicht erneuerbare Ressourcen (wie Erdöl) und viel Energie für ihre Herstellung. Außerdem ist es schwierig oder gar nicht möglich, sie kostengünstig und ohne nennenswerte Materialbeeinträchtigung zu recyceln.

Um den Energiesektor zu dekarbonisieren und Verschwendung zu vermeiden, braucht die Windenergiebranche eine neue, nachhaltige Lösung.

Es stellt sich jedoch heraus, dass die Entwicklung langlebiger und leicht recycelbarer Harze eine schwierige Aufgabe sein kann. Aber das NREL-Team beweist mit dem PECAN-Harz, dass es der Herausforderung gewachsen ist.

Nachhaltig von Anfang an

Das PECAN-Harz kann vollständig aus biobasierten Materialien wie Sorbitol hergestellt werden, einem gewöhnlichen Zucker, der in Pflanzenabfällen vorkommt.

Aber PECAN-basierte Windturbinenblätter profitieren von mehr als nur umweltfreundlichen Bausteinen. Auch der Prozess zur Herstellung einer Klinge aus PECAN-Harz ist umweltfreundlicher.

Das NREL-Team zeigte, dass das PECAN-Harz 40 % weniger Treibhausgasemissionen verursacht und 30 % weniger Energie für die Herstellung benötigt als das Epoxidharz, das heute hauptsächlich in den Rotorblättern von Windkraftanlagen in den USA verwendet wird.

„Das ist riesig“, sagte Murray. „Es schafft das Potenzial, erheblich Energie und Geld einzusparen und gleichzeitig die erste Lebensdauer jeder Turbine zu dekarbonisieren.“

Für die Ewigkeit gebaut

Egal wie nachhaltig ein Rotorblatt einer Windkraftanlage ist, das Letzte, was es sein sollte, ist dünn. Aus diesem Grund hat das NREL-Team das PECAN-Harz entwickelt, das im Vergleich zu heutigen Rotorblattmaterialien für Windkraftanlagen die gleiche – oder in einigen Fällen sogar bessere – strukturelle Leistung aufweist.

Beispielsweise übertraf das neue Material herkömmliche Harze im Kriechverhalten. Keine Sorge. Kriechen ist in diesem Fall kein Maß für die Anzahl der Spinnen, die auf der Klinge kriechen. Der Begriff gibt vielmehr an, wie gut eine Klinge ihre Steifigkeit über einen längeren Zeitraum beibehält.

„Wenn ein Windflügel lange genug unter seinem eigenen Gewicht in der Luft hängt, kann es sein, dass er anfängt, seine Steifigkeit zu verlieren. Und das könnte bei anderen Harzsystemen ein wirklich großes Problem sein“, sagte Murray.

„Und dank seiner einzigartigen Chemie“, fuhr Murray fort, „konnten wir zeigen, dass das PECAN-Material bei Zeitstandtests wirklich gut abschneidet.“

Aber leicht recycelbar

Wie fast alles andere halten auch Windkraftanlagen nicht ewig. Und wenn sie das Ende ihrer Betriebslebensdauer erreicht haben, ist das Recycling ihrer Komponenten ein wesentlicher Bestandteil der Schaffung einer nachhaltigen Windenergiebranche.

Auch in der Kategorie Recyclingfähigkeit punktet das PECAN-Harz. Hersteller können es mit minimalem Energie- oder Geräteaufwand und ohne aggressive oder schädliche Chemikalien depolymerisieren (oder abbauen).

„Das bedeutet, dass aus dem PECAN-Harz hergestellte Rotorblätter das Potenzial haben, am Stilllegungsstandort des Windparks recycelt zu werden, was die Emissionen beim Rotorblatttransport minimieren und den Lebenszyklus jeder Turbine weiter dekarbonisieren kann“, sagte Murray.

Das ist natürlich kein Zufall. Das NREL-Team hat das Harz sorgfältig so konzipiert, dass es aus einem Netzwerk spezieller chemischer Bindungen (sogenannte Esterbindungen) besteht, die mit sicheren und erschwinglichen Chemikalien abgebaut werden können, was zur einfachen Wiederverwertung des Materials beiträgt.

Möglich gemacht in einem einzigartigen Labor

Murray wies darauf hin, dass die Forschung hinter PECAN-Harz durch die einzigartigen Forschungsressourcen und -einrichtungen des NREL ermöglicht wurde, wie z Bildungs- und Technologieeinrichtung für die Herstellung von Verbundwerkstoffen.

„Bei NREL haben wir alles an einem Ort, von erfahrenen Biopolymer-Wissenschaftlern bis hin zu hochmodernen Testmöglichkeiten“, sagte Murray. „Dies hat es uns ermöglicht, den gesamten Forschungsprozess zu rationalisieren und dieses Harz in nur wenigen Jahren von der konzeptionellen Chemie zur tatsächlichen Klinge zu bringen, was ziemlich ungewöhnlich ist!“

Als nächstes plant das Team, mit dem PECAN-Harz eine noch größere Klinge herzustellen, die es ihnen ermöglicht, zusätzliche Strukturexperimente durchzuführen, bevor das Harz marktreif ist.

Wenn alles gut geht, ist das Team zuversichtlich, dass ihr Harz ein einfacher Ersatz für aktuelle Materialien für Windkraftanlagen sein kann. Und das ist eine Lösung, die die Windenergiebranche sicherlich appetitlich finden wird.

Erfahren Sie mehr über NRELs Erforschung neuartiger Materialien für Windkraftanlagenund schauen Sie sich die an Manufacturing Mastermind-Serie um die Geschichten der Menschen hinter dieser Arbeit zu lesen.

Ursprünglich veröffentlicht am NREL-Website.