Reciclaje de equipos de Energías Renovables
La Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) predice que el 86 % de la generación de electricidad mundial para 2050 será renovable, siendo el viento la mayor fuente de generación (35 %) y capacidades instaladas de más de 6000 GW ( IRENA, 2019b ).
A medida que el mercado de turbinas eólicas crece y el tamaño de las turbinas aumenta sustancialmente, también lo hará el volumen de equipos dados de baja, por diversas razones, como antigüedad, daños o repotenciación con equipos de mayor potencia y más eficientes con mayor producción de energía. Cualquiera que sea la razón, el futuro traerá cantidades significativas de desechos de turbinas eólicas al final de su vida útil (EoL).
Excluyendo los cimientos, aproximadamente el 94 % del peso de la turbina eólica proviene de metales reciclables como acero, aluminio y cobre de la torre, la caja de engranajes, el eje principal, el generador, las piezas fundidas, los cojinetes y varias piezas de la góndola y el buje.
El 6 % restante, compuesto por compuestos poliméricos, plástico, caucho, electrónica de potencia, lubricantes y materiales refrigerantes, es difícil o no factible de reciclar ( Beauson y Brøndsted, 2016).). Los compuestos poliméricos reforzados con fibra de vidrio o de carbono representan más del 90 % del peso de las palas de los aerogeneradores.
La tendencia hacia palas más largas ha aumentado el uso de compuestos reforzados con fibra de carbono e híbridos de vidrio y carbono, que reducen significativamente el peso de las palas al tiempo que mantienen la resistencia y la rigidez. La tasa de crecimiento moderado de Liu y Barlow y los escenarios ‘Centrales’ estiman los desechos de palas de aerogeneradores globales en 15 000 t en 2018, más de 50 000 t en 2022 y 43 millones de t en 2050.
Siendo el precursor de grandes proyectos de energía eólica, Europa fue la primera región enfrentar el problema de los residuos. Sin embargo, Liu y Barlow predicen que para 2050, el 40 % de los desechos de palas de turbinas eólicas a nivel mundial estarán en China, el 25 % en Europa, el 16 % en EE. UU. y el 19 % en el resto del mundo ( Liu y Barlow, 2017 ). .
Tecnologías como la generación eólica contribuyen a la estrategia de energías renovables y electrificación y son fundamentales para la mitigación del cambio climático. Determinar la verdadera sostenibilidad requiere examinar su ciclo de vida completo, incluida la gestión de EoL y la circularidad de los flujos de recursos.
En contraste con las economías lineales tradicionales que ‘tomar-hacer-usar-desechar’, las economías circulares no solo abordan la gestión de desechos para la recuperación de recursos, sino que también mejoran los diseños para prevenir y reducir la generación de desechos. El Plan de Acción de Economía Circular de la Unión Europea (UE) describe iniciativas obligatorias y voluntarias que se basan en su marco de Ecodiseño, ampliando el alcance existente y asegurando la circularidad ( Comisión Europea, 2020 ).
La jerarquía de gestión sostenible de residuos de palas de WindEurope se basa en la establecida por la Directiva Marco Europea de Residuos (2008/98/EC). Incorpora los elementos centrales de una economía circular, donde el objetivo es maximizar la prevención de desechos y minimizar la eliminación. Los diseños de productos y sistemas pueden reducir los recursos de entrada y la generación de desechos, prolongar la vida útil del producto y lograr la prevención.
La reutilización mantiene la función del producto original, mientras que un producto reutilizado tiene una función nueva. Ambos requieren cambios mínimos al producto original y se consideran reciclaje primario ya que el nuevo producto tiene propiedades comparables y un valor similar; sin embargo, la implementación a gran escala es difícil. Reciclar es convertir un producto en otro con diferente uso funcional y requiere energía y recursos.
Upcycling mejora la calidad y la funcionalidad del material, mientras que el downcycling produce materiales de menor valor. La recuperación se refiere a la recuperación de energía y subproductos de desecho. En la parte inferior de la jerarquía se encuentra la eliminación en vertederos o la incineración sin recuperación de energía, donde no se recupera ni el material ni la energía (WindEurope, 2017 ).
La evaluación del ciclo de vida (LCA) es un enfoque riguroso para examinar el grado en que los productos, las tecnologías y los sistemas son sostenibles. Es una metodología que cuantifica los flujos de materiales y energía de un producto o sistema y los impactos potenciales sobre el medio ambiente natural, la salud humana y los recursos en cada etapa de su ciclo de vida.
El marco ISO 14040:2006 (2006) define cuatro fases del estudio LCA como definición de objetivo y alcance, análisis de inventario del ciclo de vida, evaluación del impacto del ciclo de vida (LCIA) e interpretación. Una métrica de LCIA comúnmente utilizada es el tiempo de recuperación de la energía (EPBT); el tiempo que tarda un sistema de energía en generar la cantidad equivalente de energía incorporada o energía primaria consumida a lo largo de su vida. Bonou et al. (2016)
El estudio presentó cómo los resultados de LCA pueden informar y guiar la selección de opciones más sostenibles en las diferentes etapas de la vida de la turbina eólica, por ejemplo, opciones de materiales en el desarrollo de productos, gestión de la cadena de suministro en la fabricación, optimización logística en la instalación y modelos comerciales circulares en EoL.
Esta mini revisión tiene como objetivo revisar las prácticas actuales de gestión de EoL en la industria eólica a gran escala para países con estándares de EoL establecidos, así como aquellos con regulaciones menos maduras. La energía eólica marina actualmente constituye una pequeña fracción de la capacidad eólica total. Aunque se incluye en las estadísticas y la discusión, este informe no investiga los detalles específicos de gestión de EoL de turbinas eólicas marinas. La investigación tampoco incluye la remediación y recuperación del sitio.
Los objetivos específicos de la investigación son los siguientes:
- Investigar las prácticas actuales de gestión de EoL para turbinas eólicas en términos de actividades, tecnologías, investigación, regulaciones y LCA.
- Identificar los factores que limitan la efectividad de las prácticas de EoL en la industria eólica global para cerrar la brecha de la economía circular y aquellos que permiten una mayor contribución a la sostenibilidad general del despliegue de turbinas eólicas.
- Identificar opciones potenciales para avanzar en la gestión de EoL de aerogeneradores para países donde los parques eólicos son una introducción relativamente nueva.
La contribución de este artículo es, en primer lugar, identificar una serie de preguntas técnicas, económicas y regulatorias clave que deben plantearse antes de decidir sobre la opción EoL más adecuada. En segundo lugar, el artículo identifica los factores que impiden los esfuerzos actuales de gestión de EoL para cerrar la brecha de la economía circular y los factores que pueden respaldar el despliegue de tecnología sostenible. Finalmente, el artículo considera la forma en que los países con una flota joven de parques eólicos pueden aprender de las naciones que tienen más experiencia en la gestión de parques eólicos EoL.
Métodos y materiales
La investigación se realizó a través de un estudio de escritorio que examina la gestión de EoL de turbinas eólicas como se describe en los objetivos de la investigación. Los datos se obtuvieron de una revisión de la literatura de 74 artículos de revistas revisadas por pares, informes y recursos de Internet disponibles públicamente. Se encontraron muchos artículos a través de la biblioteca de la Universidad de Murdoch utilizando las bases de datos ScienceDirect, Scopus y Web of Science. Los criterios de selección de los datos fueron que la investigación y las actividades fueran recientes (dentro de los últimos 5 años), notables (referenciadas en artículos de alta calidad) o de fuentes establecidas y reconocidas (p. ej., IRENA, Agencia Internacional de Energía (IEA) Wind). Se obtuvieron conocimientos y perspectivas adicionales del seminario EoL Issues and Strategies (EoLIS) 2020 de WindEurope,Tabla 1 .
| Tabla 1. Lista de organizaciones de energía eólica que emplean a las personas que participaron en las entrevistas. |
Tabla 1. Lista de organizaciones de energía eólica que emplean a las personas que participaron en las entrevistas.
La Tabla 1 muestra que los entrevistados son de Canadá o Dinamarca. Estos países se eligieron para contrastar la situación de Canadá, que tiene una flota relativamente joven de parques eólicos donde la regulación de EoL no está madura, y Dinamarca, que es uno de los países que constituye la mayor parte de los activos de parques eólicos envejecidos. La razón detrás de esto fue explorar si había lecciones del enfoque de Dinamarca para la gestión de EoL que podrían ser útiles para países como Canadá, donde la gestión de EoL aún no es un problema urgente. Los resultados de las entrevistas se proporcionan en la sección ‘Resultados de las entrevistas con expertos de la industria eólica en Canadá y Dinamarca’, donde solo se indica el país del entrevistado para proteger el anonimato del participante.
No se siguió un guión establecido en las entrevistas; más bien, se hicieron preguntas (y se produjeron debates) que se centraron en el área específica de especialización y experiencia de cada individuo. Se tomaron notas de estas discusiones y la información se incorporó a la sección ‘Resultados de las entrevistas con expertos de la industria eólica en Canadá y Dinamarca’. Figura 1ilustra los pasos principales de la metodología de investigación en un diagrama de flujo.
Figura 1. Diagrama de flujo de la metodología de investigación.
Resultados
Opciones de fin de vida del viento
Hacia el final de la vida útil del diseño de un parque eólico, se debe tomar la decisión sobre cómo proceder: maximizar el retorno de la inversión (ROI) al extender las operaciones a través de la repotenciación o la extensión de la vida útil (LTE), o desmantelar el proyecto. La repotenciación completa implica el desmantelamiento de todo el parque eólico, incluidas las torres y los cimientos, y la sustitución de las turbinas originales por otras más potentes, a menudo con menos unidades y con un diseño diferente. La repotenciación parcial reemplaza componentes selectos, más comúnmente transmisiones, cajas de cambios y rotores, mientras retiene los cimientos y los cables. Ocasionalmente, también aumentan las alturas de las torres y las potencias nominales ( Lantz et al., 2013 ).
LTE (también denominado renovación, mejora o reactivación) se refiere a extender las operaciones de un parque eólico más allá de su vida útil de diseño con una inversión adicional mínima y solo con el mantenimiento necesario ( Schumacher y Weber, 2019 ). Los componentes principales, como el generador, pueden reacondicionarse o reemplazarse, junto con nuevos sistemas de control para aumentar la confiabilidad. WindEurope 2017b El diseño de los parques eólicos, los tamaños de las turbinas y las alturas de los bujes no han cambiado. Determinar la vida útil restante (RUL) de las turbinas y los planes óptimos de operación y mantenimiento (O&M) son el foco de muchos estudios y discusiones, como se muestra en la sección ‘Extensión de la vida útil’.
Las opciones de EoL para turbinas eólicas fuera de servicio en orden descendente de la jerarquía de desechos son reventa y reutilización, reutilización, reciclaje para recuperación de materiales, coprocesamiento en hornos de cemento, incineración con recuperación de energía y eliminación en vertederos ( Figura 2 ).).
Figura 2. Ciclo de vida del parque eólico y opciones de EoL.
Adaptado de Banco ( Banco, 2019 ).
Repotenciar
Muchos parques eólicos tienen recursos eólicos principales, pero su producción disminuye con la edad debido a razones como la disponibilidad, el rendimiento aerodinámico y la eficiencia de conversión. Un estudio del Reino Unido de 2014 de diferentes parques eólicos y tipos y salidas de turbinas encontró una tendencia de producción de energía decreciente constante de 1,6 ± 0,2 % por año y factores de capacidad promedio reducidos del 28,5 % al inicio de las operaciones al 21 % después de 19 años ( Staffell y Green , 2014 ).
Por lo tanto, la repotenciación es una forma de aumentar el rendimiento y la producción de energía de un parque eólico mientras se reduce el costo nivelado de la energía (LCOE) al reemplazar los sistemas de generación eólica más antiguos con tecnologías más nuevas y eficientes y mejorar las interconexiones eléctricas a la red eléctrica ( Lantz et al. , 2013). Las turbinas modernas y sus sistemas eléctricos asociados también pueden integrarse mejor con la red eléctrica actual, ya que pueden proporcionar servicios de apoyo a la red y contribuir a la estabilidad y flexibilidad del sistema de energía, por ejemplo, con recorridos de bajo voltaje y consumo de energía reactiva y variaciones de voltaje reducidos. ( Bates, 2020 ).
Actualmente, los mercados de repotenciación más activos son Alemania, Dinamarca y California. Los Países Bajos, el Reino Unido, España, Italia, Portugal y Francia son otros mercados europeos clave que contribuyeron al volumen total de repotenciación de la UE de 1 a 2 GW en 2017, que se prevé que aumente a 5,5 a 8,5 GW para 2027 ( IRENA, 2019a). ). Además, India tiene una política de repotenciación eólica para turbinas de 1 MW o menos ( Chaurasiya et al., 2019 ; Energy World, 2016 ), y se prevé que la capacidad de repotenciación anual de China aumente a una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 83% de 395 MW en 2023 a 8025 MW en 2028 ( Energy Global, 2019 ).
A partir de un análisis de datos daneses y alemanes, el estudio de Lacal et al. (2014) encontró que la repotenciación generalmente resultó en la duplicación de la altura del buje, la triplicación del diámetro del rotor y el aumento de las potencias nominales de la turbina de 6 a 11,6 veces y el factor de capacidad por turbina en un 7,1 % en comparación con el turbinas fuera de servicio. La producción de energía es proporcional a la clasificación de la turbina e inversamente proporcional a la potencia específica. En general, la producción anual de energía (PEA) aumentó en 3,22 MWh por cada kW de capacidad adicional de turbinas y 8,62 MWh por cada W m −2 de reducción de potencia específica ( Lacal-Arántegui et al., 2020 ).