Почему сложно утилизировать лопасти от ветряных турбин
Многокилометровые захоронения
В 2019 году по Сети разлетелись фотографии со свалки в городе Каспер штата Вайоминг, на которых видно, как груды длинных лопастей от ветрогенераторов ожидают захоронения под землю. Огромный полигон заняли больше тысячи многометровых полотен, каждое длиной больше 40 м — это половина футбольного поля. Изображения вызвали массовую критику ветровой энергетики, которая, с одной стороны, вырабатывает зеленую энергию, а с другой — не предусматривает экологичной утилизации и переработки огромных масс отходов. Официально лопасти закапывают в землю, чтобы хранить их там до тех пор, пока не изобретут новые способы переработки.
Срок службы ветряных турбин составляет 20–25 лет, и вопрос об утилизации ветрогенераторов первого поколения уже стоит крайне остро. Что делать с металлическими, бетонными и силовыми конструкциями ветрогенератора, вопросов не возникает, так как их можно переработать. А вот куда девать лопасти, пока не совсем ясно. Они состоят в основном из стекловолокна и полимеров, которые делают материал долговечным, но именно из-за них переработка ветряков становится почти невозможной.
Лопасти списанных турбин могут занять сотни гектаров земли совсем скоро, так как темпы развития ветряной энергетики активно растут. По данным Международного агентства (МЭА) по возобновляемым источникам энергии, за 2021 год на долю ВИЭ пришлось 82% новых электрогенерирующих мощностей в мире по сравнению с 73% годом ранее. По прогнозам, к 2050 году количество ветряных лопастей, сданных в утиль, во всем мире может составить около 43 млн т. Для сравнения: это вес почти 400 тыс. локомотивов.
Запрет, переработка, мармеладные мишки
Летом 2021 года на ежегодном конгрессе Испанской ассоциации ветроэнергетики генеральный директор ассоциации WindEurope (AEE), продвигающей использование энергии ветра в Европе, Джайлс Диксон призвал Европейскую комиссию запретить захоронение лопастей ветряных турбин на общеевропейском уровне. Запрет должен вступить в силу к 2025 году.
Тем временем датская компания Vestas уже разработала технологию полной переработки лопастей ветрогенераторов. Она позволяет повторно использовать термореактивные композитные материалы, которые применяют при их производстве. Инженеры придумали, как разложить эпоксидную смолу на исходные компоненты, чтобы использовать их для создания новых лопастей. В течение трех лет Vestas подготовит коммерческое предложение, с помощью которого можно будет внедрить технологию в производство. Разработка позволит компании к 2040 году выйти на нулевой уровень отходов производства.
Ученые из Калифорнийского университета в Дэвисе тоже занялись вопросом экологичной утилизации ветряных конструкций и создали компостируемые лопасти из органики. В их основу они положили мицелий грибов, органический субстрат и каркас из бамбука. Команде только предстоит проверить устойчивость этих лопастей, чтобы убедиться, что они могут выдерживать порывы ветра и вращаться со скоростью 137 км/ч.
Исследователи из Университета штата Мичиган в США создали свой вариант перерабатываемой лопасти для ветряка. В ее составе композитная смола из стекловолокна и полимера растительного и синтетического происхождения. Когда срок службы турбины закончится, лопасть можно полностью переработать, превратив в новую, или сделать из нее жевательные конфеты. Новую форму композитной смолы вываривают в щелочном растворе, чтобы получить лактат калия, который после очистки можно использовать при приготовлении сладостей и спортивных напитков. Пока разработка только проходит проверки и испытания, но именно благодаря таким смелым экспериментам энергия ветра может стать еще зеленее.
Токсичные солнечные батареи
Около 90% неисправных и вышедших из строя солнечных панелей попадают на обычные свалки, так как это намного дешевле, чем переработка. «Мы проделали феноменальную работу, сделав солнечную энергетику эффективной и рентабельной, но еще ничего не сделали для того, чтобы сделать ее циркулярной и справиться с окончанием срока службы солнечных панелей», — говорит Суви Шарма, генеральный директор компании Solarcycle, специализирующейся на солнечных технологиях.
Как правило, солнечные панели сделаны из стекла, содержат небольшое количество кремния, который и перерабатывает солнечный свет в электричество, а также серебро, медь и токсичные тяжелые металлы, например кадмий, свинец и селен. Батареи можно перевозить только по заранее согласованным маршрутам и утилизировать особым способом. Поскольку солнечные панели хрупкие и громоздкие, чтобы их грамотно открепить, транспортировать и утилизировать, требуются обученные работники. Иначе высок риск того, что солнечная батарея разобьется и загрязнит локальные участки опасными веществами.
По данным Harvard Business Review, ожидается, что к 2031 году объем отходов солнечной энергетики на свалках превысит объем новых установок. А МЭА в своем исследовании, опубликованном в 2019 году, предупреждает, что с 2030 по 2060 год мы можем получить около 9,8 млн т отходов от солнечных батарей. Кажется, что это не такая большая цифра в контексте мировых выбросов, однако из-за опасных компонентов в составе при неправильной обработке солнечные батареи могут принести природе и человеку гораздо больше вреда, чем другие отходы.
Невыгодная, но необходимая переработка
Переработка солнечных панелей не самое прибыльное дело. Из каждой батареи удается получить материалов на $2−4, при том что процесс переработки, по подсчетам американской Национальной лаборатории возобновляемой энергетики, обходится в $20−30.
Тем не менее находятся те, кто хочет повлиять на проблему. В конце июня 2023 года во Франции открылось предприятие ROSI, которое специализируется на переработке отходов солнечной энергетики. В компании извлекают и повторно используют 99% компонентов солнечной батареи. Новая фабрика может восстановить почти все драгоценные материалы, содержащиеся в панелях, — именно их особенно трудно извлечь из установки — и направить на повторное производство батарей. Во Франции к 2030 году необходимо будет переработать 30 тыс. т фотоэлектрических панелей, отслуживших свой срок.
В США площадь, покрытая солнечными панелями, которые установлены в 2021 году и должны выйти из эксплуатации к 2030 году, составит территорию общей площадью около 3 тыс. полей для американского футбола. В Штатах вклад в решение этой проблемы обещает сделать компания Solarcycle. Ее команда извлекает и направляет на переработку около 95% материалов из старых солнечных панелей. Компания торгует восстановленным серебром и медью на товарных рынках, а стекло, кремний и алюминий Solarcycle продает производителям и операторам солнечных панелей.
Один из самых эффективных способов стимулировать переработку панелей — субсидировать эту деятельность и обязывать производителей заниматься их экологичной утилизацией. В ЕС такие правила уже действуют: компании-производители должны обслуживать оборудование до его изнашивания, а также перерабатывать панели, когда они окончательно выйдут из строя. В США такое требование существует только в Вашингтоне. Оно было принято в 2017 году, но действовать начнет лишь с 2025 года.
Электромобили: чем меньше углеродный след, тем больше углеродный след
По данным МЭА, в мире эксплуатируются 16 млн электромобилей, а к 2030 году их станет уже около 250 млн. В России сейчас около 25 тыс. электромобилей и более тысячи электробусов. Пока в стране выпускаются только электробусы, но в соответствии с «Концепцией по развитию производства и использования электроавтомобильного транспорта в России до 2030 года», утвержденной правительством в августе 2021 года, к 2030 году в России ежегодно должны производиться около 220 тыс. электрокаров.
Во всем мире правительства и автопроизводители продвигают электромобили как ключевую зеленую технологию, которая ограничит потребление нефти в борьбе с изменением климата. General Motors заявила, что намерена прекратить продажу новых автомобилей и легких грузовиков с бензиновым двигателем к 2035 году и переключиться на модели с батарейным питанием. Volvo будет действовать еще стремительнее и к 2030 году представит полностью электрическую линейку автомобилей. Большинство электромобилей действительно производят значительно меньше вредных выбросов, чем автомобили, работающие на бензине. Однако многое зависит от того, сколько угля сжигается для зарядки этих электромобилей.
«Если ваш электромобиль подключается к сети и заставляет близлежащие угольные электростанции сжигать больше угля для его зарядки, то климатические преимущества его использования будут уже не такими большими», — говорит Джереми Михалек, профессор инженерных наук Университета Карнеги — Меллона. Хорошая новость в том, что большинство стран стремится «очистить» свои электрические сети и перейти на альтернативные источники энергии.
Что делать с батареями и правами человека
При производстве литийионных батарей, которыми комплектуются большинство электромобилей, используются кобальт, литий и редкоземельные элементы. При добыче кобальта и других металлов из руд выделяются шлаки, загрязняющие окружающую среду. 70% мировых запасов кобальта добывается в Демократической Республике Конго, причем значительная часть находится на нерегулируемых кустарных рудниках, где рабочие, в том числе дети, выкапывают металл из земли, используя только ручные инструменты. Они подвергают свое здоровье большому риску.
Литий добывается в Австралии и на солончаках в Андах, на территории Аргентины, Боливии и Чили. Для откачки рассолов используется большое количество грунтовых вод. Для производства аккумуляторов электромобилей требуется на 50% больше воды, чем на производство традиционных двигателей внутреннего сгорания.
Чтобы исправить ситуацию, производителям необходимо задуматься, как сделать процесс добычи сырья более экологичным и как улучшить условия труда горняков в шахтах.
Не меньше проблем и с утилизацией аккумуляторных блоков. Средняя батарея электромобиля, проезжающего 20 тыс. км в год, может прослужить от десяти до 20 лет. К 2025 году, по данным Bloomberg, по всему миру более 3,4 млн аккумуляторных блоков электромобилей «выйдут на пенсию». Их захоронение на свалках — прямая угроза экологии, к тому же 95–96% содержимого в батареях — это возвращаемое сырье, которое можно повторно использовать в производстве. Но почему с их утилизацией все не так просто?
В настоящее время в мире используются технологии переработки, основанные на принципе разрушения и измельчения элементов батарей. Однако такой процесс достаточно энергоемкий, а качество восстановленного сырья низкое. Для роста эффективности ресайклинга необходимо демонтировать аккумуляторы до набора отдельных батарейных модулей. И здесь кроется главная проблема — отсутствие стандартизации конструкций.
По международным стандартам каждый элемент должен перерабатываться, но нынешние батареи для электромобилей создаются производителями в конфигурациях разной технической и химической сложности. Они не оптимизированы для легкой разборки ни вручную, ни автоматизированно. Поэтому в ближайшем будущем потребуется создание единого стандарта или маркировки, которые позволят упростить и роботизировать процесс переработки аккумуляторов — так повысится его экономическая эффективность.
Переработкой литийионных аккумуляторов во всем мире занимаются около сотни компаний. Это небольшие лаборатории, профильные и непрофильные организации, а также промышленные предприятия. Но все же наибольшую эффективность показывают автоконцерны, которые создают под свои аккумуляторы отдельные заводы или цеха. Например, Volkswagen в 2021 году запустил завод по переработке аккумуляторов в Зальцгиттере. А годом ранее Tesla начала перерабатывать 100% батарей, создав на своих заводах по производству аккумуляторов перерабатывающую линию. Nissan совместно с Sumitomo Corporation основал компанию 4R Energy, которая занимается переработкой батарей от электромобилей производителя.
Такой же путь предстоит пройти России. И он уже начат: о планах по запуску промышленной переработки литийионных аккумуляторов заявил «Росатом» — завод в Дзержинске планируется открыть к 2024 году. К этому моменту, следуя планам правительства, в России уже, вероятнее всего, будет запущено серийное производство российских электромобилей. Поскольку инфраструктура развивается параллельно с производством, появляется возможность с нуля создать наиболее оптимальные для быстрой переработки аккумуляторов конструкции.