Przewiduje się, że do 2050 r. światowe zapotrzebowanie na energię podwoi się. Tworzy to ostrą sprzeczność. Potrzebujemy więcej energii niż kiedykolwiek wcześniej. Kryzys klimatyczny wymaga jednak zaprzestania spalania paliw kopalnych. Rozwiązaniem jest wykorzystanie energii odnawialnej. Ale jest jedno „ale”. Aby systemy te działały efektywnie, muszą być zoptymalizowane. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy i inżynierowie zwracają się ku materiałom kompozytowym.
Projektanci turbin wiatrowych wcześnie dołączyli do tego ruchu. Potrzebowali ostrzy, które byłyby niewiarygodnie lekkie. Musieli także stawić czoła trudnym warunkom. Korozja jest głównym wrogiem w takich środowiskach. Tradycyjnymi opcjami były żywice epoksydowe lub poliestrowe zmieszane z włóknem szklanym. Mieszanki te zapewniły niezbędną odporność na obciążenia fizyczne.
Wymagania były proste w teorii, ale skomplikowane w praktyce. Ostrza powinny wytrzymać ponad 30 lat. Potrzeba konserwacji powinna być minimalna. Muszą skutecznie działać w warunkach losowych i nieprzewidywalnych zjawisk pogodowych. Stawka wzrosła wraz z rozwojem morskich farm wiatrowych. Turbiny zainstalowane na morzu muszą stawić czoła poważniejszym sztormom. Łopaty stały się dłuższe, aby złapać więcej wiatru. To doprowadziło materiałoznawstwo do krytycznego limitu.
Inżynierowie zareagowali, dodając do mieszanki włókna węglowe. W rezultacie nastąpiła znacząca poprawa. Ostrza stały się lżejsze. Poprawiła się ich aerodynamika. Umożliwiło im to wygenerowanie większej ilości energii elektrycznej na jednostkę objętości. Wzrost wydajności był znaczący.
Jest jednak jeden poważny problem. Te materiały, które nadają się do recyklingu na łopaty turbin wiatrowych są niezwykle trudne do recyklingu. Większość kompozytów jest termoutwardzalna (odporna na ciepło). Tworzą nieodwracalne wiązania. Po wyleczeniu pozostają w tym stanie. Nie topią się. To sprawia, że recykling przy użyciu obecnych metod jest prawie niemożliwy.
Zegar już tyka. Począwszy od około 2020 r. co roku setki turbin wiatrowych będą musiały zostać wycofane z eksploatacji. Ten wolumen będzie tylko rósł. Jeśli nie potrafimy zagospodarować odpadów, przejście na zieloną energię stanie przed logistycznym koszmarem. Składowiska odpadów nie są zrównoważoną długoterminową strategią dotyczącą urządzeń przemysłowych.
Zespoły naukowców pracowały nad tym konkretnym, wąskim problemem. Ich celem było stworzenie materiału kompozytowego, który faktycznie nadawałby się do recyklingu. Przełom polega na zmianie żywicy bazowej. Zamiast żywic termoutwardzalnych, zwrócono się ku żywicom termoplastycznym.
Zmiana ta jest istotna z dwóch powodów. Po pierwsze, umożliwia obróbkę poprzez depolimeryzację. Materiał można ponownie rozłożyć na składniki. Po drugie, oszczędza energię podczas produkcji. Przetwarzanie tworzyw termoplastycznych często wymaga mniej energii niż tradycyjne żywice. Dzięki temu cały cykl życia ostrza jest czyszczony.
Zmierzamy w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym dla infrastruktury odnawialnej. Nie wystarczy po prostu wytwarzać czystą energię. Musimy także zarządzać sprzętem, który go produkuje. Najbliższa dekada zadecyduje, czy uda nam się zamknąć pętlę w energetyce wiatrowej. Inżynieria materiałowa rozwija się dynamicznie. Jednak skala przyszłych odpadów jest ogromna. Czy uda nam się dotrzymać kroku? Odpowiedź zależy od tego, jak szybko skalują się te nowe metody recyklingu. Wiatr będzie nadal wiał. Pytanie brzmi, czy uda nam się zatrzeć jego ślady.
Ukryte materiały determinujące rozwój energetyki morskiej i paliwowej
Turbiny wiatrowe trafiają na pierwsze strony gazet, ale prawdziwa bitwa inżynieryjna o energię odnawialną toczy się pod wodą i w ogniwach paliwowych. Nie chodzi tylko o łapanie wiatru i słońca. Chodzi o przetrwanie we wrogim środowisku.
Weźmy turbiny wodne. Pracują w trudnych warunkach. Woda morska powoduje korozję metalu, powoduje korozję łożysk i z czasem osłabia integralność konstrukcji. Tutaj z pomocą przychodzą kompozyty. Są oczywiście lekkie, co ma znaczenie, gdy trzeba sprawnie kręcić rotorem. Ale ich prawdziwą supermocą jest odporność.
Żywica epoksydowa jest praktycznie nieprzepuszczalna dla wody. Działa jak tarcza. Wewnątrz tych turbin znajdziesz dysze, elementy zaprojektowane w celu przyspieszenia przepływu wody i przechwytywania większej mocy. Wykonane są z włókna szklanego i żywicy epoksydowej. Materiał nie rdzewieje. Nie pęcznieje. Po prostu dźwiga ciężar.
Kompozyty oferują harmonogram konserwacji, który praktycznie nie istnieje.
Ogniwa paliwowe wiążą się z innym zestawem wyzwań. Uznaje się je za odnawialne tylko wtedy, gdy wodór jest produkowany w sposób zrównoważony. Zakładając jednak, że istnieje ekologiczny wodór, sprzęt musi być niezawodny. To tutaj ester winylowy w połączeniu z włóknem węglowym zmienia zasady gry.
Te mieszaniny są przewodzące. Są stabilne wymiarowo. Nie palą się. Praktyczne zastosowanie jest tutaj kluczowe. Przyszłe pojazdy z wodorowymi ogniwami paliwowymi będą potrzebowały zbiorników magazynujących. Zbiorniki metalowe są ciężkie i podatne na kruchość wodorową. Zbiorniki kompozytowe są lżejsze. Redukują czas produkcji. Pasują do konstrukcji pojazdów, w których nie można umieścić sztywnych części metalowych.
Powierzchnie słoneczne a dążenie do efektywności
Panele słoneczne istnieją już od dziesięcioleci, ale materiały, które je obsługują, ewoluują. Patrzymy na coś więcej niż tylko na wydajność samego ogniwa. Przyglądamy się cyklowi życia całej instalacji.
Kompozyty termoutwardzalne zastępują ramy aluminiowe. Zastępują tradycyjne dachówki ceramiczne. W efekcie powstała konstrukcja lekka, trwała i odporna na warunki atmosferyczne. Światło słoneczne niszczy wiele materiałów. Te kompozyty są temu odporne.
Innowacje sięgają jednak głębiej w ogniwa fotowoltaiczne. Naukowcy eksperymentują z cienkimi foliami. W szczególności z kombinacją tlenków bizmutu i manganu. To nie tylko powłoka strukturalna. Jest to powłoka optyczna.
Film optymalizuje sposób, w jaki komórka pochłania światło słoneczne. Przechwytuje szerszy zakres promieni. Większa absorpcja oznacza więcej energii elektrycznej. Jest to subtelna zmiana w chemii, która może znacznie zwiększyć moc wyjściową.
Tendencja jest oczywista. Odchodzimy od metali ciężkich, przewodzących i żrących. Zmierzamy w stronę materiałów konstrukcyjnych, które wytrzymają dłużej. Sektor energetyczny nie tylko zmienia to, co spala, ale także to, co wychwytuje. Zmienia to, z czego jest zbudowany. I ta zmiana ma charakter strukturalny.
