Hvordan genanvender man komposit fra vindmøller?

Når komposit fra vindmøller skal afskaffes, ender de enten på deponi eller til forbrænding. Men forskere arbejder på en holdbar måde at genanvende det sammensatte materiale, skriver Mogens Hinge fra Aarhus Universitet i dette faglige indspark.
Brødtekst

Når en vindmølle er for slidt, for lille, og/eller det ikke kan betale sig at reparere den længere - så skal den rives ned.

Store dele af vindmøllens materialer genanvendes, for eksempel ledninger, gearkasse, generatoren, tårnet og så videre. Men det er svært at få kompositdelene - for eksempel vingerne og nacellen -  genanvendt.

Kompositdelene består typisk af glasfiber og en udhærdet epoxy-matrice. Komposittens styrke kommer fra glasfibrene, og man ønsker derfor at have så meget glas i kompositten som muligt. Det normale mål for glasmængden i kompositter er fiberens volumenfraktion (norm: 55-60 % v/v). Dette mål giver intuitivt et indtryk af en næsten 50:50 blanding mellem glas og matrice.

Men ser man på et ton komposit, så er der mellem 750 og 800 kg glas, mens resten er matricen. Man skal derfor tænke disse kompositter som meget glas, der er limet sammen med lidt epoxy, eller som epoxy-forurenet glas.

Matricen er vigtig, både for at glasset holder formen, men også som 'transportør' af kræfterne til glasfibrene. Dette er store kræfter, så derfor er matricen kemisk (dvs. kovalent) bundet til glasfiberen, og på samme tid er matricen tværbundet 'til sig selv' med kemiske bindinger.

Det giver et fantastisk materiale i brug - men et horribelt materiale at genanvende.

Genanvendelse i dag er downcycling

I dag arbejdes der mange steder intenst for at få kompositterne adskilte igen, så de kan genanvendes. Men den helt gode løsning lader stadig vente på sig. Det efterlader to overordnede metoder til at afskaffe kompositterne: Deponi eller afbrænding.

Dog skal det lige nævnes, at en mindre del af kompositterne finder nyt liv ved opskæring og brug i andre industrier (for eksempel som adskiller mellem dyrene i grisestalde).

Afbrænding er ikke den mest attraktive løsning, da det kun er matricen, som har en god brændværdi. Derfor står man med en lille energigevinst og en stor glasslagge. Så er der deponi tilbage, og kan nedgravningen forgå lokalt, så er der heller ikke et energitab i forbindelse med transport til et forbrændingsanlæg.

Men det er jo klart for enhver, at dette hverken er en god eller holdbar løsning. I den idelle verden kunne man ønske at adskille fiber og matrice, så de begge kunne genanvendes til andre produkter. Men de kemiske bindinger gør det svært. 

En del forskning er gået i retning af at termisk ødelægge epoxy-matricen og så genanvende fibrene samt anvende de molekyler- som afgasses til fremstilling af andre kemikalier. Denne proces kræver, at man opvarmer kompositten til omkring 550 °C for at nedbryde matricen helt. Glasset skal jo også opvarmes til disse temperaturer, hvilket også kræver energi. Desuden fjernes også den belægning på glasfiberen, som sikrer den gode vedhæftning til matricen, hvilket ydermere gør glasfiberen sprøde/skøre.

Fibrene, man får tilbage efter en pyrolyse, har derfor anvendelse i mindre krævende produkter som for eksempel fyldstof eller hakkede fibre i plastprodukter. Søgen efter metoder til at adskille fiber og matrice fortsætter stadig.

Tilsætningsstoffer kan løse dele af problemet

I 2016 blev DreamWind-projektet oprettet med støtte fra Innovationsfonden. Tilgangen var at designe en matrice, som kunne adskilles 'på kommando'. I projektet var der fire forskellige tilgange til at opnå dette, dog vil kun additiv-delen blive uddybet her.

Under projektet blev mange (80+) forskellige kemiske forbindelser evalueret, og af dem blev et par håndfulde udvalgt til videre undersøgelse. I løbet af at halvt år blev det klart, at princippet med at tilsætte et 'gæstemolekyle'/additiv til epoxy-matricen og derved introducere en adskillelsesmulighed virkede.

Der var dog en del af additiverne, som krævede eksotiske (oftest giftige) solventer, for at man kunne adskille matricen. Et additiv (cystine – dimeren af aminosyren cystein) stod dog ud fra de andre ved at være et molekyle fra det grønne kredsløb og på samme tid introducerede adskillelse af matricen med eddikesyre.

Det er klart, at glæden var stor, da vi fandt dette. Nu skulle det så undersøges, om additivet ændrede epoxy-matricen i en sådan grad, at den ikke kunne bruges til kompositter. Derfor blev matricen grundigt undersøgt for viskositetsforøgelse af den uhærdede matrice, hærdetider, styrkeegenskaberne efter hærdning, dynamiske egenskaber, termiske egenskaber og meget mere.

Der var mindre ændringer i få parametre, men ikke i nogen af de kritiske parametre. Så flyttede fokus mere over på kompositten og dens egenskaber og muligheden for at genanvende kompositterne. Det virkede også, men det blev klart, at når kompositten blev geninfuseret efter adskillelse, så var det ikke muligt at få hele matricen ud forbi fibrene.

Grunden til dette var, at fibrene ligger så tæt, at selvom matricen er opdelt i mindre stykker, så er den fanget som en løve i bur. Det betyder, at fibervolumenfraktionen blev mindre og mindre for hver genanvendelse, og derfor faldt kompositstyrken tilsvarende. Så selvom vi kan genanvende kompositterne, bliver disse også kun til mindre krævende produkter.

Det er klart, at løsningen med additiver ikke er en løsning på den nuværende problematik, men den kan løse problematikken med genanvendelse af kompositter fremadrettet.

Dreamwind er et forskningsprojekt i samarbejde mellem Aarhus Universitet, Teknologisk Institut og Vestas Wind Systems med formålet at udvikle nye genanvendelige materialer, der på sigt kan anvendes i vindmøllevinger. Projektet er delvist finansieret af Innovationsfonden (projekt: 5152-00003A).