ENGINEERINGNET.BE - Het cruciale probleem van composieten turbinebladen is dat ze (vooralsnog) bij eindeleven zorgen voor een nauwelijks te recycleren afvalberg.
Lussi rekent dat er tegen 2023 in Europa zo’n 14.000 windturbine wieken van de eerste generatie windparken buiten dienst gaan… “Er is gewoon nood aan lichtgewichtmateriaal dat wél te recycleren valt. En hoe groter de structuur, des te interessanter de case voor staal.”
Hij lichtte zijn werk toe op de vijfde ‘wind and drivetrain conference’ die Dassault Systèmes begin april organiseerde. De tweedaagse virtuele conferentie focuste op modeleer- en simulatietechnologieën voor het engineeren van windturbines.
Bijdragen waren er o.a. van GE Renewable Energy, Goldwind Science Technology, ZF Wind Power, het German Aerospace Center (DLR)… en dus ook van Lindström Lussi met de titel: Fossil Free High Strength Steel Wind Turbine Blades - Concept Feasibility Study.
In zijn conceptuele haalbaarheidsstudie gebruikte Lussi datasets van het Strenx 1.300 staal van SSAB. Dit ultra hogesterktestaal heeft een minimum rekgrens van 1300 MPa. Hij wees ook naar materialen van producent Sandvik. Voor zijn casestudie baseerde hij zich op een datamodel -een zogenaamde database transaction unit (DTU)- van een 10 MW windturbine.
“Deze turbine heeft wieken van 90 meter lang. Daarvan hebben we de geometrie en de mesh. De wiek deelden we op in 27 segmenten. We kennen de belasting op die segmenten en de beweging die dat geeft op de x, y en z-as. We zetten de belasting er op en…”
Waar wieken met GRP (glass fibre reinforced plastic) en CRP (carbon fibre reinforced plastic) resulteren in een wiek van 40 ton, resulteerde de berekening met SSAB Strenx 1300 in een wiek van 35 ton, of zo’n 12,5% minder. “Het leek te mooi om waar te zijn”, geeft Lindström toe.
Hij trok de berekeningen dus door de Tosca optimalisatie suite en de Abaqus (Unified FEA) van Simulia (Dassault Systèmes) om de wiek te optimaliseren. Nieuwe criteria werden ingevoerd zoals het doorbuigen van de wiek uit zijn vlak, de maximale doorbuiging,… Elke oplossing kent natuurlijk eigen problemen. Het verder optimaliseren van de stalen wiek vergde bijvoorbeeld een aanpassen van zijn profiel. Ook kon de diktedistributie van het staal -tussen 5 en 10 mm- nog bijgestuurd worden. “We kunnen dergelijke verbindingen lassen. Alleen is de vraag tegen welke prijs.”
Het recycleerbare materiaal moet niet alleen minder milieu impact hebben maar ook heel wat minder gaan kosten dan composieten. De driver om aan het stalen alternatief te werken is volgens Lindström Lussi uiteindelijk de consument maar natuurlijk kijkt hij niet naast het feit dat Zweden recycleerbaar HS-staal produceert en exporteert. En dat er binnenkort ook fossielvrij staal op de markt zal komen…
In deze fase ging het er Lindström Lussi echter in eerste instantie om het gewicht van een stalen wiek in dezelfde range als die van GRP- en CRP-wieken te weten. En dan moet natuurlijk verder gekeken worden, naar andere processen: vermoeiing, geluid, restspanningen,… “Er zal een kost zijn”, erkent Lindström. Maar bovenal moet het stalen alternatief zich bewijzen door zijn prestaties “want daarzonder krijg je het niet gekwalificeerd.”
Lindström Lussi meent dat zijn werk zich op dit ogenblik ergens tussen de stage gates SG1 en SG2 bevindt -tussen ‘scoping’ en ‘het bouwen van een business case’. Nog een hele weg naar SG5 -‘lancering en implementatie’- dus.
ACHTERGROND
De bladen van windturbines hebben een gemiddelde levensverwachting van 30 jaar. Meestal zijn ze opgebouwd uit composieten: glasvezel, koolstofvezel, harsen,… Die composieten zijn niet zomaar te recycleren. Een aantal initiatieven gaan echter verder dan landfill.
Het Noorse Gjenkraft AS hanteert een soort pyrolyse om de materialen -koolstof, synthetische brandstoffen- terug te winnen. Ecofiber Recycling AS (Stavanger) vermaalt composieten boegen van plezierboten, en verwerkt en schildert het materiaal tot stadsmeubilair en bloembakken.
Het Spaanse Reciclalia ‘breekt’ de composieten molenwieken ter plaatse met een mobiele shredder. In een meertraps thermische reactor scheidt het vervolgens de harsen van de glas- en koolstofvezels. Het bedrijf, dat in 2011 van start ging, beklemtoont dat zijn gepatenteerde CRS-technologie (composite recycling system) geen pyrolyse is. De gereinigde vezels worden verkocht aan de industrie. Er is sprake van een degradatie van de vezels van minder dan 10%.
Het Franse onderzoekscentrum IRT Jules Verne leidt het ZEBRA-project (Zero wastE Blade ReseArch) dat de hele productieketen van windturbines betrekt om te komen tot 100% recycleerbare bladen van windturbines. In maart van dit jaar werd het eerste prototype van zo’n wiek opgeleverd. LM Wind Power ontwierp en produceerde ’s werelds grootste thermoplast wiek op basis van Elium, een thermoplastisch hars (van Arkema), in zijn Spaanse fabriek in Ponferrada en zal die nu testen en zijn prestaties valideren in Denemarken.
Daarna wordt de wiek gerecycleerd. Tegen eind 2023 weet men dan of het chemische proces, dat Arkema en Canoe ontwikkelden om het hars te depolymeriseren en de vezels te scheiden, lukt. Owens Corning zou de glasvezels hergebruiken dan wel hersmelten. In het consortium ook Engie en Suez.
-------------------------------------
Fossielvrij staal
SSAB werkt met partners LKAB en Vattenfall aan HYBRIT, een nieuwe manier om staal te produceren zonder CO2 uit te stoten. Het vervangt kolen door groene waterstof bij de productie van staal. Het staalbedrijf wil reeds in 2026 fossielvrij staal op de markt brengen en de uitstoot van koolstofdioxide grotendeels elimineren uit de eigen activiteiten rond 2030.
Zie ook: "Staalproductie met mix methaan en groene waterstof"
