业内研讨:如何应对万吨级退役风机叶片

近日,业内相关组织在北京召开了风力发电叶片推窗及产业发展模式研讨会,相关行业协会针对退役叶片的回收和后处理问题。

如何推进叶片回收的产业化技术及高效综合利用进行了专题讨论,这也是目前风电行业及材料行业首次专题就叶片回收及后处理综合利用进行公开正式讨论。

业内研讨:如何应对万吨级退役风机叶片-复合材料网

随着煤、石油、天然气等传统化石能源的逐渐耗尽,风能、太阳能等新型能源的开发利用也越来越得到人们的重视,已成为能源领域最具商业推广前景的项目之一,目前在国内外发展迅速。

我国的风电发展开始于20世纪50年代,早期的发展主要用于海岛和偏远地区的电力空缺问题,主要是非并网小型风电机组的建设。20世纪70年代末期,我国开始研究并网风电,主要通过引入国外风电机组建设示范电场,1986年5月,首个示范性风电场马兰风力发电场在山东荣成建成并网发电。

在不断的发展过程中,我国的风电行业从1986年开始,经历了早期示范阶段,产业化探索阶段、快速成长阶段、高速发展阶段、调整阶段和从2014年开始的稳步增长阶段。经过前期的洗牌,我国风电产业过热的现象得到一定的遏制,发展模式从重规模、重速度到重效益、重质量。2016年我国风电新增装机容量占全部电力新增装机容量的比例为15.5%,累计装机容量占比9.0%。风电新增装机容量占比近几年均维持15%以上,累计装机容量占比则呈现稳步提升的态势。发电量上,2016年全国风电发电量2410亿千瓦时,占全部发电量的4.1%,发电量逐年增加,市场份额不断提升,风电已成为继煤电、水电之后我国第三大电源。

国内的整机生产企业中,新疆金风、浙江运达、大连重工集团、东方汽轮机厂等几家的市场前景被业界看好,占据了市场较多的份额。而在风电行业中,叶片市场的情况很大程度上决定着整机市场的情况。目前单是丹麦LM Glasfiber公司一家就占据了国际市场40%以上的份额,其产品被GE WIND、西门子(原丹麦BONUS)、SUZLON、Repower、Nordex等公司全部或部分采用;另外Vestas和Enercon公司也拥有各自的叶片生产部门。国内的叶片生产企业主要有中航保定惠腾、连云港中复连众复合材料集团等。

目前全球的风力发电企业处于一个竞争激烈的发展过程,国内的发展商你追我赶,与国外的风电巨头企业相比较起来,目前还有一定的距离。而风电叶片影响着整个风电行业的发展,在风电叶片中,材料体系和制造工艺决定着风电叶片的发展水平。

现阶段风电叶片的发展,复合材料被用到的是最广泛的。目前复合材料在风力发电中的应用主要是转子叶片、机舱罩和整流罩的制造。相对而言,机舱罩和整流罩的技术门槛较低,生产开发的难度不大。而风力发电机转子叶片则是风力发电机组的关键部件之一,其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。

在风力发电机兴起100多年的历史里,叶片材料经历了木制叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。随着联网型风力发电机的出现,风力发电进入高速发展时期,传统材料的叶片在日益大型化的风力发电机上使用时某些性能已达不到当下叶片的发展要求,于是具有高比强度的复合材料叶片发展起来。现在,几乎所有的商业级叶片均采用复合材料为主体制造,风电叶片已成为复合材料的重要应用领域之一。风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构,一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成,复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。

在叶片的制造工艺上,传统的叶片生产一般采用开模工艺,尤其是手糊方式较多,生产过程中会有大量苯乙烯等挥发性有毒气体产生,给操作者和环境带来危害;另外,随着叶片尺寸的增加,为保证发电机运行平稳和塔架安全,这就必须保证叶片轻且质量分布均匀。这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用闭模工艺,如现在热门的真空树脂导入模塑法,不但可大幅度降低成型过程中苯乙烯的挥发,而且更容易精确控制树脂含量,从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性,并可提高叶片的质量稳定性。

风电的发展令人欣喜,然而、退役叶片的回收问题一直被大家所忽视,随着时间的推移,会越来越引起更多的人重视,是什么原因导致现在这样的结果呢?是什么样的复合材料,就连“回收”都要摆在桌面上来讨论呢?

它的专业名称叫纤维增强树脂复合材料。这里谈到的树脂包括各类型的环氧树脂、不饱和树脂及正在使用推广的聚氨酯树脂。

复合材料当然使用最大的特性就是轻质高强,单位密度只有钢铁的1/3,同等重量的材料力学性能是金属的好几倍;而且性能可设计,与金属材料不一样的是各向异性,根据产品的物理属性需求进行设计,风机叶片正是有这样的功能需求采用了复合材料作为叶片材料。

但是,复合材料的一个特性就是材料的化学过程不能逆向,一旦固化成型后,无法返回原来的材料基体属性,更重要的是如果不经过新的工艺处理,是无法降解,这对当前环保高压政策而言,是一种巨大的威胁。

风机叶片的回收处理和再利用成为产业痛点。报告明确要求“加强固体废弃物和垃圾处置,推进资源全面节约和循环利用,实现生产系统和生活系统循环链接”。

2020年9月1日起施行的《固体废物污染环境防治法》被称为“史上最严固废法”。新《固废法》对固体废物污染环境防治监督管理制度、工业固体废物污染环境防治制度、生活垃圾污染防治制度、生产者责任延伸制度、工业固体废物排污许可制度五个方面进行了更为严格的规定。

环保高压政策下,叶片的回收和后处理已经成为行业即将面临的一个重大难题,因为叶片无论采用哪种回收方式,都需要高额的成本,并接受“固废法规”严格的制度制约。

千吨级的叶片回收在即:2026年开始万吨级的叶片面临处理。

根据行业会议数据统计表明,截止2020年底,全国风电装机台数超过14000万台,到2021年年底,实际可退役风机数量超过38.3万千瓦(这是非官方数据,估计统计口径不一有差异),根据当前叶片单位千瓦的用量计算,以16千克/千瓦估算,到今年年底实际可退役风机的复合材料叶片重量高达6096吨(大致测算)。

根据行业统计数据来看:2006年的叶片用量首次超过2万吨,意味着2026年叶片回收行业就会迎来第一次风电退役的大考。到2029年,年处理回收叶片的量将达到22万吨,2035年其规模将达到52.7万吨左右。

叶片回收后处理还在起步阶段:行业还有时间应对。

从规模来看,到2023年之前,每年的叶片处理量都在1000~2000吨之间,从复合材料的综合利用来看,还处于工程试验阶段,也就是说,行业还有2~3年的时间去进行这方面的试验研究与工程化规模应用。2024年开始年规模就开始达到5000吨以上,这就不是小作坊式的工业企业所能解决的大规模处理了。当前,有退役的叶片都是简单的处理,但都是基于临时处理的做法,真正大规模的退役风机叶片开始后,必须考虑如何在满足环保的基础上,做好退役叶片的综合利用,实现变废为宝。

其实,叶片行业企业也在行动,包括中材科技、时代新材、成飞重通都也在做这方面的研究,也得到了国家的支持,但距离大规模的应用还有很长一段路要走,需要指出的是:作为最熟悉叶片的关联者——叶片企业应该是叶片回收及综合利用最重要的单元,应该是这个回收后处理的主体实施者,而风机的拥有者必须要有风机退役处理成本的考虑。

叶片的回收和后处理:未来的风电场需要准备好风机退役准备金作为全生命周期的一个环节,风机的退役也是需要成本的,这一点可能在过去的风电场没有考虑,但在实际寿命终结时候,需要拿出一笔钱来用于风机的退役。

除了叶片外,其他金属部件大部分可以实现再生利用,但是叶片作为工业非降解固废,必须要有一笔固废处理基金,与塔筒、机组金属件的再生不一样的是,需要给叶片回收处理单位相应的固废处理费用,再加上叶片回收后实现一部分的综合利用,使得叶片回收的商业模式成立,具有最基本的行业利润(企业可以正常运转),那么风电行业的风机退役与循环就实现了真正的绿色发展。

此外,行业也在制定相关的叶片复合材料固废处理标准,好界定未来叶片的回收处理是否达标环保政策,这一点也是面临的一个新课题。

风电装备产业的绿色循环发展,是风电产业实现健康发展的基础,叶片的回收后处理也是发展到一定阶段出现和面临的新问题,行业在关注,企业更加要关注,尤其是风电场业主,如何花最少的钱,让叶片这种固体废物实现绿色综合利用,同时又能避免高压环保政策的惩戒,这是风电叶片人的又一个重要历史任务。

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