Likvidace a recyklace větrných elektráren na konci životnosti

Kam s nimi?

Ten problém už před více než 100 lety řešil Jan Neruda. Ve fejetonu Kam s ním? popsal hledání řešení, jak se zbavit opotřebované náplně slamníku, tedy předchůdce dnešních matrací. Hodit do smetí? Spálit? Nechat ležet na ulici? Sláma nakonec skončila u mlékařky jako stelivo do chléva.

Co s nimi? Foto Hackaday

Prakticky tak byl vyřešen příslovečný „nerudovský“ problém jak se zbavit něčeho opotřebovaného. Dnešním slovníkem, materiál recyklovat, nebo přesněji – najít pro něj nové využití. Slovníkem začátku 21. století – zvolit metodu tzv. cirkulární ekonomiky. Mluvou současných evropských projektů „jde o různé programy, které posilují efektivní nakládání s přírodními zdroji, uzavírají materiálové cykly a předcházejí plýtvání. Odpadní materiály se používají jako vstup do další výroby…“ Inu – pokrok je pokrok.

Na začátku 21. století už neřešíme slamníky, vyvstávají však nové aktuální problémy. Větrná energetika má za sebou v některých zemích už více než 20 až 30 let úspěšného rozvoje. Řečeno s Nerudou: „Kam s díly vysloužilých, technicky i výkonově překonaných větrných elektráren“?

„Odpad“ z větrných elektráren

Předpokládá se, že do roku 2025 bude v Evropě demontováno asi 12 tisíc starších větrných elektráren. Společnosti WindEurope (dříve EWEA – Evropská asociace větrné energie), Cefic (Evropská rada pro chemický průmysl) a EUCIA (Evropská asociace průmyslu kompozitů) představily společný projekt pro řešení problematiky recyklace v oboru větrné energetiky. Další projekt ZEBRA (Zero wastE Blade ReseArch), tvořený konsorciem zainteresovaných firem včele s největším výrobcem listů LM Wind Power se zabývá problematikou recyklace listů VtE. LM Wind Power přichází s novým typem pryskyřice, takže lopatky vyrobené s použitím tohoto komponentu by měly po ukončení životnosti lépe recyklovatelné, než současně demontované lopatky.

Hmotnost větrné elektrárny včetně nezbytných základů tvoří ze 60–65 % beton, 30–35 % ocel (armování základů, tubus věže, soustrojí s převodovkou, generátorem a hlavní hřídelí), dřevo kolem 5 %, elektronická zařízení včetně kabeláže a dalšího spojovacího materiálu (měď, hliník) 2–3 %. Kompozitní materiál křídel tvoří kolem 3 % celkové hmotnosti větrné elektrárny. Větrné elektrárny neobsahují po odčerpání provozních kapalin (mazadla, olejové náplně převodovek, hydraulický olej) žádné nebezpečné odpady.

Nejhmotnější část větrné elektrárny je z velké části ukryta pod povrchem. Jsou to základy v podobě monobloku z armovaného betonu, které musí nejen rozložit hmotnost celé elektrárny na plochu podle její únosnosti, ale také odolat dynamickému horizontálnímu zatížení větrné elektrárny větrem působícím na věž i otáčející se rotor. Železobeton je sám o sobě ekologicky přijatelným materiálem. Po ukončení provozu by odstranění základů jejich destrukcí, odtěžením a transportem k případné recyklaci drcením a separací bylo vzhledem k jejich kompaktnosti proveditelné jen vynaložením vysokých nákladů i nemalé „ekologické stopy“. Při výměně nadzemní části větrné elektrárny za novější by bylo možné původních základů v omezeném rozsahu využít vzájemným konstrukčním přizpůsobením přírub na základech a prvním dílu věže. Pro montáž výrazně rozměrnější a těžší elektrárny by to však už možné nebylo.

Někteří výrobci větrných elektráren přišli s řešením „univerzální platformy“ pro své budoucí inovované a výkonnější stroje, na kterou by bylo možné bez dalších úprav nové typy elektráren instalovat. Na veletrhu WindEnergy v Hamburku představila svou univerzální platformu společnost General Electric pro své větrné elektrárny s výkonem 2,5–3,4 MW, s výškou věže 70–155 m s průměrem rotoru od 103 do 137 metrů. Že by se ale výrobci mezi sebou dohodli na jednotném designu přírub, je asi příliš bujná fantazie.

Železobetonové základy pro větrnou elektrárnu a detail armatury s přírubou pro první díl věže (tubusu) větrné elektrárny. Foto BK

Zdrojem materiálů k recyklaci je proces „repoweringu“ skupin větrných elektráren (větrných parků) instalací menšího počtu výkonnějších strojů. Právě při tomto „zředění“ jejich rozestupů po montáži menšího počtu výkonnějších zařízení) se nabízí se řešení „likvidace“ základů jejich překrytím vrstvou zeminy a tím k vytvoření ploché „mohyly“ včleněné do krajiny po osázení vhodnými dřevinami jako remízek. V Krušných horách vhodný třeba pro tetřívky…

Všechny kovové části větrné elektrárny jsou běžným způsobem plně recyklovatelné. Pro ocelové tubusy dožívajících elektráren s průměrem 2–3 metry se po rozřezání na menší délky nabízí možnosti různého využití (nádrže, menší sila, propustky pod komunikacemi…) a vždy zůstává možnost definitivní recyklace v podobě železného šrotu.

Co s listy rotoru?

Nejproblematičtějším dílem jsou z hlediska recyklace nebo dalšího využití listy (lopatky, křídla) rotoru, tvořené kompozity většinou na bázi sklolaminátu, nověji u delších listů s kevlarovým dříkem. Vzhledem k vývoji účinnějších profilů s prvky pro omezení hlučnosti už nejsou listy demontovaných elektráren pro původní účel repasovatelné a použitelné. Z problému se stává výzva a příležitost, takže – co s nimi?

Variantou skládkování jako nejméně přijatelného způsobu „likvidace“ listů rotoru je jejich použití například jako „výplň“ nebo ukotvené jádro hliněných protipovodňových zábran nebo valů, kde by mohly plnit i roli jejich zpevnění.

Řešení by měla usnadnit už samotná konstrukce spolu s použitou technologií a strukturou materiálu listů, která by usnadnila technicky reálné a ekologicky přijatelné postupy jejich likvidace nebo další jiné plánovité využití. Pokaždé však bude třeba vycházet z částečné či úplné destrukce na místě odstraněné větrné elektrárny. Zpětný transport několik desítek metrů dlouhých listů k dalšímu zpracování, vyžadující speciální přívěsy tahačů, by byl technickou i ekonomikou komplikací. Za zmínku stojí způsob „demontáže“ prototypu 3MW větrné elektrárny s dvoulistým rotorem po 11 letech testování u švédského městečka Maglarp řízenou explozí v gondole v červnu r. 1993. Ze záznamu není zřejmé, nakolik se záměr zdařil.

Způsob demontáže a destrukce listů větrné elektrárny bude záviset na jejich dalším předpokládaném využití. Pro současnou demoliční techniku není problém hydraulickými nůžkami listy po jejich demontáži od hlavního hřídele rozstříhat tak, aby následný odvoz k dalšímu zpracování drcením a mletím nebo je rozřezat na předem definované délky pro nové použití.

Hledání řešení

Lopatky větrných elektráren z doby před 20–25 roky obsahují kolem 55 % sklolaminátu, 35 % epoxidů, kolem 5 % dřeva, zbytek pak jsou jiné kovové i nekovové materiály.

Drcením lze získat rozměrově definované frakce materiálu, využitelného například jako komponent do betonových směsí, nebo jako materiál pro lisování kompozitních desek či panelů (po případném doplnění dodanými pojivy). Výsledný produkt (desky, panely, hrubší profily) jsou korozivzdorné, odolné vlhku i ohni a jako takové jsou použitelné i ve vnějším prostředí jako konstrukční prvky i detaily komunálního mobiliáře.

V Dánsku vznikla už skoro před 20 lety recyklační společnost ReFiber se záměrem likvidace lopatek pyrolýzou. Společnost však předběhla dobu, lopatky větrných elektráren v té době zdaleka nedovršily svou životnost. Pyrolýza (tepelná destrukce teplotou kolem 500 °C v anaerobním prostředí) však tehdy zcela neřešila likvidaci odolnějších skleněných vláken. Snad by je bylo možné použít do lisovaných hydroponických směsí pro skleníkové kultury? Nebyl by to jen odklad pro konečné řešení?

Dánský výrobce větrných elektráren Vestas deklaruje svou strategii udržitelnosti, skládající se ze čtyř ambiciózních cílů. Jedním z nich je závazek vyrábět větrné turbíny s nulovým odpadem do roku 2040. Prvním krokem bude dílčí cíl zvýšit míru recyklovatelnosti nábojů a lopatek ze současných 44 % na 50 % do roku 2025 a 55 % do roku 2030. Cílem Vestasu je vyrábět turbíny s nulovým odpadem v roce 2040.

Celou problematikou se v listopadu 2020 zabýval i online seminář evropské větrné asociace WindEurope. Nejvíce vyřazovaných větrných elektráren bude v Německu, Španělsku, Francii a Itálii; celková výkonová kapacita větrníků na hranici životnosti je 36 GW, což při výkonu tehdejších elektráren 0,5 až 1 MW znamená asi 50 tis. elektráren, tedy 150 tis. jejich listů. Výsledkem je návrh orientačního dokumentu pro ekologizaci celého oboru.

Řešení způsobu likvidace vysloužilých větrných elektráren, především jejich ekologicky nejproblematičtějších dílů, jimiž jsou právě listy rotoru, je globálním tématem. Společnost GE Renevable Energy, dodávající desítky větrných elektráren do USA, podepsala v prosinci 2020 dohodu o likvidaci lopatek jejich využitím jako suroviny a paliva při výrobě cementu. Postup spočívá v rozemletí drtě z lopatek na jemnější frakci v podobě písku a jejich použití v cementárenské peci místo uhlí. Jako surovina pro výsledný produkt – cement – bude využito 65 % hmotnosti drtě, 28 % poslouží jako palivo podporující chemickou reakci v peci. Producenti cementu mají zkušenosti se spalováním vyřazených pneumatik, včetně jejich ocelových drátů, takže ani nespalitelná skleněná vlákna by neměla být problémem.

Podle konzultační společnosti Quantis USA vede tento postup také ke snížení emisí CO2 o 27 % a při modelové hmotnosti jedné lopatky 6,3 tuny nahradí tato drť 4,5 t uhlí, 2,4 t oxidu křemičitého a 1,7 t vápence. Výsledný „zelený cement“ samozřejmě plní všechny požadavky na tento produkt.

Listy mohou být recyklovány mechanickými způsoby, termicky nebo chemicky. Nejčistší (a pravděpodobně nejekonomičtější) by však mohlo být jejich účelné využití ať už vcelku, nebo jejich částí, pro nový účel.

Druhý život – jiné využití pro lopatky

Listy větrných elektráren jako poutač ekologického střediska v Ydby (Dánsko). Foto BK

Listy současných větrných elektráren nebo jejich části mohou však být samy o sobě zajímavým konstrukčním prvkem pro další účelné využití. To by vyžadovalo šetrnější demontáž, příp. příčné rozřezání na díly v definovaných délkách potřebných pro konkrétní plánované použití.

Listy větrných elektráren mají sílu stěn kolem 20 cm u jejich kořene, postupně se jejich síla snižuje směrem ke špici, neklesá však nikde pod 3–5 cm. Jejich profil je kapkovitý, s délkou listu se mírně mění. Délka listů elektráren, které jsou současnosti na hranici životnosti, se pohybuje kolem 30 až 40 metrů. Z těchto parametrů, a také z pevnosti, a v případě delších segmentů i jisté pružnosti, plynou možnosti dalšího využití. Uvádíme některé konkrétní příklady.

Využití lopatek jako konstrukčního prvku pro přemostění menších toků nebo údolí. Listy mohou být v pozici „zábradlí“, případně jako ukrytý nosný prvek pod mostovkou, sloužící např. jako cyklostezka nebo lávka pro pěší. (např. v dánském Arhusu). Lopatky by se pro tento účel mohly stát součástí „hmotných rezerv“ pro případ potřeby rychlé náhrady menších mostů po povodních. Krátké příčné segmenty mohou být použity jako propustky pod komunikacemi.

Animace postupu stavby mostu (lávky) s nosníky z listů větrných elektráren

Řez listem větrné elektrárny může inspirovat k různému využití. Foto BK

Příkladem využití „výřezu“ z listu větrné elektrárny jako přístřešek pro parkování jízdních kol je z Nizozemska. Podobné funkční výřez by mohly sloužit jako kryté zastávky, lavičky, prvky dětských hřišť a další objekty městského mobiliáře, např. jako prodejní stánky… Výřezy z méně zaoblených částí křídel mohou být střechou menších objektů, např. garážových stání, zahradních chatek…

Dětské hřiště s prolézačkami z listů větrných elektráren v Rotterdamu. Foto Denis Guzzo

Přístřešek pro parkování jízdních kol z výřezu listu větrné elektrárny

Příklad městského mobiliáře z listů větrných elektráren. Foto Anmet

Nápadům a fantazii se v tomto novém oboru meze nekladou. Nepochybuji o tom, že by český kutil dokázal využít užších profilů listů z konců listů jako plováků pro katamarán nebo hausbót, v přístavištích by se listy větrných elektráren daly použít pro stavbu plovoucích mol.

V Česku je pravděpodobně jediný případ druhotného využití části listu větrné elektrárny v Třebíči. V ekotechnickém centru Alternátor v revitalizovaném areálu bývalé Baťovy továrny skončila část listu, poškozeného pádem při montáži nedaleké větrné elektrárny. Asi 15 m dlouhý díl umístěný naležato slouží jako skluzavka, na jedné vnější ploše jsou umístěny chyty a stupy jednoduché horolezecké stěny a z druhé strany slouží k instalaci posterů příležitostných výstav.

Skluzavka, horolezecká stěna a plocha pro panely výstavy v ekotechnickém centru Alternátor v Třebíči. Foto BK

Příklad z Polska

Recyklace nebo druhotné využívání dílů demontovaných větrných elektráren je pilířem podnikání společnosti Anmet z Polska, sídlící v nevelkém městečku Szprotawa asi 100 km od Liberce. Záběr společnosti sahá od demontáže celých větrných elektráren v terénu a jejich transport, přes separaci jednotlivých komponentů, včetně oddělení uhlíkových vláken až k prodloužení životnosti některých dílů Pro lopatky nebo jejich části nalezli zajímavé možnosti využití. Ve spolupráci s ateliérem AIRchitecture navrhují, vyrábí a nabízejí netradiční kusy mobiliáře a nábytku pro venkovní i bytové použití.

Realizace lávky polské společnosti AIRchitecture. Středový nosník vznikl spojením sešroubováním přírub dvou stejných listů. Foto AIRchitecture, Polsko

Využití příčných řezů z listů větrných elektráren pro zelené stěny pro zpevnění svahů (návrh AIRchitecture Polsko)

Realizovali však již i mnohem náročnější projekty. Příkladem je lávka pro pěší, realizovaná přes říčku Szprotawa. Unikátní je na ní použití dvou křídel větrné elektrárny, spojených proti sobě původními přírubami do podoby středového nosníku lávky. Společnost již má evropský patent na technologii výroby mostů z listů rotoru demontovaných větrných elektráren. První most chtějí ve městě postavit do léta 2021.