Reutilización, reciclaje y eliminación de piezas de turbinas eólicas: una investigación sobre las prácticas de la industria

La eliminación, el reciclaje y la reutilización adecuados de estas piezas son esenciales para preservar las ventajas ambientales de la energía eólica, ya que las turbinas fuera de servicio generan residuos sustanciales. Este artículo investiga las prácticas actuales de la industria en relación con la gestión de residuos de generadores de turbinas eólicas (WTG), centrándose en cuchillas, que son los componentes más difíciles de gestionar al final de su ciclo de vida.

Piezas de turbinas eólicas

Las turbinas eólicas son máquinas complejas diseñadas para convertir la energía cinética del viento en energía eléctrica. Constan de varios componentes esenciales que funcionan juntos a la perfección para optimizar la producción de energía. Las partes principales de una turbina eólica moderna incluyen la rotor, góndola, torre, y varios sistemas electrónicos y mecánicos, cada uno de los cuales desempeña un papel fundamental en el funcionamiento de la turbina.

Rotor

El rotor está formado por las palas y el cubo, que se encargan de captar la energía eólica. Las palas se pueden ajustar (inclinar) y están diseñadas con superficies de control para mejorar el rendimiento. Los materiales utilizados para las cuchillas incluyen fibra de vidrio, madera y aluminio, y los compuestos avanzados proporcionan un equilibrio entre resistencia y ligereza. Una hoja de fibra de vidrio típica puede medir alrededor de 15 metros de largo y pesar hasta 2,500 libras (aproximadamente 1,134 kg), según el tamaño, el modelo y el material del componente.

Góndola (nacelle)

La góndola (nacelle) es una carcasa protectora situada en lo alto de la torre, que contiene componentes esenciales como el eje de transmisión principal, la caja de cambios, el generador y la electrónica de potencia. Por lo general, está hecha de fibra de vidrio y también incluye sistemas para controlar la inclinación de las palas y el control de la guiñada, que ajustan la orientación de la turbina en relación con el viento. Una góndola típica pesa alrededor de 22 000 libras (aproximadamente 9,979 kg) y contiene varias piezas mecánicas y electrónicas cruciales para la eficiencia de la turbina.

Torre

La torre sostiene la góndola y el rotor a una altura que maximiza la exposición al viento. Las torres suelen construirse con acero galvanizado u hormigón, lo que proporciona estabilidad y durabilidad en condiciones ambientales adversas. Su diseño puede variar, incluidas las estructuras tubulares o de celosía, según la aplicación y la altura requerida.

Tren motriz

El tren de transmisión comprende varios componentes clave, incluidos el eje de baja velocidad (LSS), los cojinetes, los acoplamientos, la caja de cambios, el eje de alta velocidad (HSS) y los frenos. Este sistema convierte la energía mecánica capturada por el rotor en energía eléctrica a través del generador. Las configuraciones avanzadas del tren de transmisión son esenciales para optimizar el proceso de conversión y garantizar la confiabilidad.

Electrónica de potencia

La interfaz electrónica de potencia actúa como el «cerebro» de la turbina eólica, gestionando el flujo de electricidad generada y optimizando el rendimiento. Incluye convertidores de potencia que permiten controlar la potencia activa y reactiva, lo que garantiza una integración eficiente con la red eléctrica. La interfaz desacopla la velocidad de rotación de la turbina eólica de la frecuencia eléctrica, lo que permite un funcionamiento a velocidad variable

Componentes adicionales

Otros componentes vitales incluyen los transformadores, que convierten la electricidad de bajo voltaje generada en un nivel de voltaje medio para minimizar las pérdidas de transmisión, y las cajas eléctricas que facilitan el proceso general de conversión de energía. La complejidad y la variedad de materiales utilizados en estos componentes, incluidos el acero, el cobre y los elementos de tierras raras, destacan los avances tecnológicos destinados a mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de la energía eólica

‍

El proceso de fabricación de las palas de las turbinas eólicas contribuye significativamente a la generación de residuos. Según los investigadores, entre el 10 y el 15% de los materiales usados se desperdician durante la fabricación de las palas y luego se desechan en vertederos (Almeida et al., 2022). La mayoría de los residuos producidos están hechos de materiales compuestos, que son difíciles de reciclar debido a su estructura. Este problema se pone de relieve por el hecho de que cada año se generan decenas de miles de toneladas de residuos de turbinas eólicas a partir de palas fuera de servicio (Kalman, 2021). La industria debe adoptar soluciones de reciclaje integrales para mitigar el impacto ambiental de estos residuos, ya que la incineración contribuye a las emisiones de CO2 y agrava el cambio climático (Kalman, 2021).

‍

En respuesta al creciente problema de los residuos, se han lanzado varias iniciativas y proyectos para mejorar la reciclabilidad de las palas de las turbinas eólicas. Por ejemplo, el Proyecto ZEBRA tiene como objetivo desarrollar cuchillas compuestas 100% reciclables, mientras que el Cuchillas Decom el proyecto explora técnicas de reciclaje sostenibles (Yang et al., 2023). Estas iniciativas destacan el cambio hacia una economía circular en el sector de la energía eólica, donde el objetivo es reutilizar los materiales y minimizar los residuos. Sin embargo, las tecnologías de reciclaje actuales aún están en pañales y se necesitan avances significativos para pasar de las soluciones a escala de laboratorio a las aplicaciones comerciales (Chen et al., 2019).

‍

Debido a la composición de las palas de los aerogeneradores, reciclarlas se convierte en un problema. La mayoría de las palas están hechas de polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP) cuyos componentes no son fácilmente reciclables. En la actualidad, las técnicas de reciclaje son el reciclaje mecánico, térmico y químico, que tiene sus propias ventajas e inconvenientes. Por ejemplo, el reciclaje mecánico implica triturar las cuchillas en trozos más pequeños que pueden emplearse como relleno en otros productos. Sin embargo, este enfoque hace que la calidad del material se deteriore. El reciclaje térmico, por otro lado, puede generar energía a partir de los materiales de desecho, pero puede emitir contaminantes dañinos si no se desecha adecuadamente (Sorte et al., 2023).

‍

Los estudios han investigado los enfoques modernos de reciclaje y han descubierto la tecnología de plasma que transforma las palas de las turbinas eólicas en microfibras, según la investigación de Kavaliauskas y otros (2023). El enfoque combina el reciclaje de materiales con la creación de nuevos productos, lo que sirve para múltiples aplicaciones en las industrias de la construcción y la fabricación. La pirólisis se destaca ahora como un enfoque efectivo emergente que convierte los materiales compuestos de fibra de vidrio en fibras de alta calidad que se utilizan en nuevos materiales de producción (Ma et al., 2024). Gracias a estos avances, el sector de la energía eólica muestra ahora una mayor conciencia sobre las prácticas sostenibles.

‍

El impacto ambiental de los residuos de las turbinas eólicas se extiende más allá de las propias palas. Los cimientos de hormigón y los componentes metálicos de las turbinas también plantean problemas de eliminación. A medida que aumente el número de turbinas fuera de servicio, se espera que el volumen de residuos generados crezca exponencialmente, y las proyecciones sugieren que más Se podrían producir 200 000 toneladas de residuos de cuchillas para 2034 (Hao y otros, 2020). Esto subraya la importancia de desarrollar estrategias integrales de gestión del final de su vida útil (EoL) que abarquen todos los componentes de las turbinas eólicas, no solo las palas.

‍

Los impactos ambientales de las prácticas de gestión de residuos de las turbinas eólicas se han evaluado mediante evaluaciones del ciclo de vida (LCA). Los costos ambientales de la eliminación de residuos son significativos, aunque las turbinas eólicas producen mucha más energía de la que se gasta en su fabricación, según Paulsen y Enevoldsen (2021). Según evaluaciones recientes, las pérdidas medioambientales totales de una sola turbina eólica oscilan entre 500 000 y 1,1 millones de euros. Por lo tanto, existe una clara necesidad de planes de gestión de residuos adecuados. Por ahora, se cree que la reciclabilidad de los diseños actuales de aerogeneradores es del 86%, lo que significa que la recuperación del material aún puede mejorarse (Paulsen y Enevoldsen, 2021).

Desafíos en el reciclaje y la reutilización

El reciclaje y la reutilización de los componentes de las turbinas eólicas, en particular las palas, presentan importantes desafíos debido a la complejidad de sus materiales y sus grandes tamaños. A medida que la industria se enfrenta a la fase de finalización de la vida útil de los sistemas de energía eólica, estos desafíos adquieren cada vez más importancia.

Complejidad de los materiales

Las palas de las turbinas eólicas están hechas principalmente de materiales compuestos, como fibra de vidrio y resinas epoxídicas, que complican los procesos de reciclaje tradicionales. Estos materiales están diseñados para ofrecer durabilidad y longevidad, lo que dificulta su desmontaje y reciclaje. Los métodos de reciclaje mecánico, como la trituración, pueden producir materiales de menor calidad, lo que restringe sus aplicaciones futuras en la industria y la construcción. Además, las técnicas de reciclaje avanzadas, como la fragmentación por alto voltaje (HVF), pueden producir fibras más limpias, pero requieren un consumo de energía significativo, lo que aumenta los costos. En el estudio de Mishnaevsky Jr. (2021), el autor, además de investigar las técnicas más utilizadas para reutilizar las palas eólicas, analiza materiales alternativos para su construcción, como las fibras naturales y el bambú, pero no llega a utilizarlos en turbinas eólicas a gran escala.

Factores regulatorios y económicos

La implementación de prácticas de reciclaje eficaces también se ve obstaculizada por barreras regulatorias y económicas. Los diferentes países tienen diferentes regulaciones con respecto a la eliminación y el reciclaje de los componentes de las turbinas eólicas, lo que puede afectar al desarrollo de estrategias de reciclaje coherentes. En regiones como la Unión Europea, las normativas se están adaptando para abordar el problema de los residuos derivados de la energía eólica, pero siguen existiendo desafíos a la hora de hacer cumplir estas políticas en los estados miembros. Además, el costo relativo y el valor de las tecnologías de reciclaje varían ampliamente, lo que crea discrepancias en la viabilidad de las prácticas de reciclaje entre las diferentes empresas y regiones.

Brechas tecnológicas y de infraestructura

La infraestructura necesaria para un reciclaje eficiente es a menudo deficiente, especialmente en las regiones donde la energía eólica se está expandiendo rápidamente. El establecimiento de instalaciones de reciclaje es crucial para gestionar los residuos de forma eficaz; sin embargo, la ubicación estratégica y la inversión en infraestructuras de recuperación y reciclaje siguen siendo limitadas. Esta situación requiere la colaboración entre las pequeñas y medianas empresas y las grandes corporaciones para innovar y mejorar los procesos de gestión de residuos. Las políticas públicas destinadas a promover una economía circular pueden ayudar, pero deben contar con un apoyo sólido para garantizar que conduzcan a mejoras tangibles en las prácticas de reciclaje.

Viabilidad económica

La viabilidad económica del reciclaje de los componentes de las turbinas eólicas también es un obstáculo importante. Los costos de desmantelamiento pueden oscilar entre 114 000 y 195 000 dólares por turbina y, si bien las estimaciones de salvamento pueden reducir estos costos, el marco económico general para el reciclaje sigue sin desarrollarse. Como resultado, muchos desarrolladores pueden priorizar los costos por encima de las prácticas ambientalmente sostenibles, lo que complica aún más los esfuerzos por mejorar el reciclaje y la reutilización en la industria.

‍

La integración de un enfoque de economía circular en el sector de la energía eólica podría generar importantes ahorros ambientales. La implementación de estrategias que prioricen la reutilización y el reciclaje puede reducir entre un 20 y un 30% los impactos ambientales asociados a los residuos de WTG. Sin embargo, la transición a una economía circular está plagada de desafíos, como la necesidad de contar con datos sólidos sobre la generación de residuos, el desarrollo de tecnologías de reciclaje a escala industrial y políticas de apoyo que incentiven las prácticas sostenibles (Woo & Whale, 2022).

Los desafíos de la gestión de residuos de turbinas requieren tanto avances tecnológicos como la colaboración entre la industria y el mundo académico. La innovación a través de la colaboración entre las partes interesadas y el sector mejora cuando se establecen iniciativas de investigación para desarrollar nuevas soluciones y, al mismo tiempo, promover las mejores prácticas. Gracias a las asociaciones entre la universidad y la industria, se han descubierto nuevos procesos de reciclaje y se han creado proyectos piloto para probar su viabilidad, según estudio Astolfi y otros (2018).

Existen diferentes procesos para reutilizar las palas eólicas, más comúnmente métodos mecánicos, muchos de los cuales ya están prohibidos en muchos países. Las técnicas que implican un procesamiento químico más refinado para la reutilización de las palas, como la pirólisis y la solvólisis, no solo se enfrentan a la imposibilidad de una aplicación a gran escala, sino también al hecho de que las palas pueden tener diferentes composiciones, lo que dificulta la estandarización de las técnicas que necesitan un mayor refinamiento (Paulsen, 2020).

‍

El panorama regulatorio que rodea la gestión de residuos de WTG también está evolucionando. A medida que aumenta el volumen de equipos fuera de servicio, los gobiernos comienzan a implementar políticas destinadas a promover el reciclaje y reducir el uso de vertederos. Estas políticas pueden incluir la imposición de tasas de reciclaje, incentivos financieros para las empresas que inviertan en prácticas sostenibles y el apoyo a la investigación y el desarrollo de tecnologías de gestión de residuos (Mishnaevsky, 2021). Estos marcos regulatorios serán esenciales para impulsar la transición hacia un sector de energía eólica más sostenible.

A pesar del progreso realizado en las tecnologías y prácticas de reciclaje, siguen existiendo barreras importantes. Los altos costos asociados a los procesos de reciclaje, junto con el bajo valor de mercado de los materiales reciclados, pueden disuadir la inversión en soluciones sostenibles de gestión de residuos (Sorte et al., 2023). Además, la falta de protocolos de reciclaje estandarizados y la variabilidad en los diseños de las palas complican el desarrollo de métodos de reciclaje universales (Sorte et al., 2023). Abordar estos desafíos requerirá esfuerzos concertados por parte de las partes interesadas de la industria, los investigadores y los responsables políticos para crear una estrategia coherente para gestionar los residuos de las turbinas eólicas.

Tendencias futuras

A medida que el sector de las energías renovables continúa evolucionando, el reciclaje y la eliminación de los componentes de las turbinas eólicas son cada vez más críticos. La jubilación prevista de las turbinas eólicas de primera y segunda generación, junto con un número creciente de nuevas instalaciones, subrayan la necesidad de soluciones de reciclaje eficaces para gestionar los residuos y la utilización de los recursos resultantes. Según Liu y Barlow (2017), se estima que para 2050, por cada tonelada de material utilizado para fabricar turbinas eólicas, se producirán 0,7 toneladas de residuos, lo que significa que para 2050 tendremos 2,5 millones de toneladas de residuos del segmento eólico.

Avances en las tecnologías de reciclaje

Se vislumbran avances significativos en las tecnologías de reciclaje. Los expertos del sector están desarrollando métodos innovadores para recuperar materiales valiosos de piezas de turbinas eólicas fuera de servicio. Por ejemplo, las empresas están explorando técnicas para descomponer los materiales compuestos y convertirlos en materias primas reutilizables, cerrando de manera efectiva el círculo de lo que antes se consideraba residuo. Este cambio hacia una economía circular no se limita únicamente a las palas; el reacondicionamiento de las cajas de engranajes y otros componentes metálicos para volver a incorporarlos al ciclo de producción está ganando terreno como medio de reducir sustancialmente las emisiones.

Incentivos políticos y económicos

Se espera que los cambios en las políticas desempeñen un papel vital en la mejora de los esfuerzos de reciclaje. Los mandatos legislativos para el reciclaje de los componentes de las turbinas eólicas, junto con los incentivos financieros para las empresas que inviertan en infraestructuras de reciclaje, podrían acelerar los avances tecnológicos en la industria. Estas iniciativas no solo promoverán la sostenibilidad, sino que también alentarán el crecimiento económico mediante la creación de nuevos empleos en los sectores del reciclaje y la fabricación.

Iniciativas de investigación colaborativa

Los esfuerzos de investigación colaborativos son fundamentales para superar las barreras existentes al reciclaje. Establecer asociaciones entre organizaciones de investigación, fabricantes de componentes y desarrolladores de plantas eólicas puede facilitar el desarrollo de estándares y metodologías de certificación para los materiales reciclados, garantizando su aceptación en los mercados secundarios. Estos esfuerzos de colaboración tienen como objetivo calificar los nuevos materiales sostenibles, fomentar la innovación y hacer avanzar las tecnologías para satisfacer las crecientes demandas del sector de la energía eólica.

Consideraciones ambientales

El enfoque en la sostenibilidad y la innovación en el reciclaje de turbinas eólicas está a punto de contribuir significativamente a la gestión ambiental. Al implementar procesos de reciclaje eficaces, la industria puede mitigar los riesgos de acumulación de residuos y contaminación asociados con los métodos de eliminación convencionales, contribuyendo así a un medio ambiente más limpio. También se espera que la integración de componentes de base biológica y polímeros termoplásticos en los nuevos diseños de turbinas eólicas mejore la sostenibilidad general de los materiales utilizados en el sector y, en última instancia, influya en su recuperación y reciclabilidad en el futuro.

‍

Conclusión

En conclusión, la reutilización, el reciclaje y la eliminación de las piezas de las turbinas eólicas son componentes críticos de las prácticas sostenibles de energía eólica. A medida que la industria se enfrenta a un volumen cada vez mayor de turbinas fuera de servicio, es imperativo desarrollar estrategias eficaces de gestión de residuos que prioricen el reciclaje y minimicen los impactos ambientales. Si bien se han logrado avances significativos en las tecnologías y prácticas de reciclaje, la investigación continua, la colaboración y las políticas de apoyo serán esenciales para superar los desafíos asociados con la gestión de residuos de las turbinas eólicas. Al adoptar un enfoque de economía circular, el sector de la energía eólica puede garantizar que sus beneficios ambientales no se vean eclipsados por los residuos generados por las turbinas fuera de servicio.

‍

Referencias

- Almeida, E., Júnior, M. y Medeiros, D. (2022). Fabricación de palas de aerogeneradores: un análisis del flujo de materiales. https://doi.org/10.5151/siintec2022-245225

- Astolfi, D., Castellani, F. y Terzi, L. (2018). Mejoras en la curva de potencia de los aerogeneradores. https://doi.org/10.20944/preprints201804.0269.v1

- Chen, J., Wang, J. y Ni, A. (2019). Reciclaje y reutilización de materiales compuestos para palas de turbinas eólicas: una visión general. Revista de plásticos reforzados y compuestos, 38 (12), 567-577. https://doi.org/10.1177/0731684419833470

- Hao, S., Kuah, A., Rudd, C., Wong, K., Lai, N., Mao, J.,... y Liu, X. (2020). Un enfoque de economía circular para la energía verde: turbinas eólicas, residuos y recuperación de materiales. La ciencia del medio ambiente total, 702, 135054. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135054

- Kalman, J. (2021). Desarrollo de un sistema de extrusión de polímeros para fabricar compuestos bioplásticos reciclados para la fabricación aditiva. https://doi.org/10.32920/ryerson.14639052

- Kavaliauskas, H., Kezelis, R., Grigaitienė, V., Marcinauskas, L., Milieška, M., Valinčius, V.,... y Baltušnikas, A. (2023). Reciclaje de palas de turbinas eólicas para convertirlas en microfibras mediante tecnología de plasma. Materiales, 16 (8), 3089. https://doi.org/10.3390/ma16083089

- LIU, P.; MENG, F.; BARLOW, C. Y. Opciones de fin de vida útil de las palas de turbinas eólicas: una comparación entre auditorías ecológicas. Journal of Cleaner Production, v. 212, págs. 1268—1281, marzo de 2019.

MATIVENGA, P. T., SHUAIB, N. A., HOWARTH, J., PESTALOZZI, F., WOIDASKY, J. Fragmentación de alta tensión y reciclaje mecánico de compuestos termoestables de fibra de vidrio. Cirp Annals - Manufacturing Technology, v. 65, págs. 45-48, 2016. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.043 

- Ma, Y., Du, Z., Fang, X., Chen, B., Shi, L. y Li, H. (2024). Reciclaje de fibra de vidrio a partir de compuestos de poliuretano mediante una estrategia de pirólisis con altas propiedades mecánicas. Serie de conferencias de la Revista de Física, 2671 (1), 012023. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2671/1/012023

- Mishnaevsky, L. (2021). Gestión sostenible al final de la vida útil de las palas de las turbinas eólicas: descripción general de las soluciones actuales y futuras. Materiales, 14 (5), 1124. https://doi.org/10.3390/ma14051124

- Paulsen, E. y Enevoldsen, P. (2021). Una revisión multidisciplinaria de los métodos de reciclaje de palas de turbinas eólicas al final de su vida útil. Energies, 14 (14), 4247. https://doi.org/10.3390/en14144247

- Sorte, S., Martins, N., Oliveira, M., Vela, G. y Relvas, C. (2023). Liberar el potencial del reciclaje de palas de turbinas eólicas: evaluación de técnicas y métricas para la sostenibilidad. Energías, 16 (22), 7624. https://doi.org/10.3390/en16227624

— Woo, S. y Whale, J. (2022). Una pequeña revisión de la gestión del final de su vida útil de las turbinas eólicas: las prácticas actuales y la reducción de la brecha de la economía circular. Waste Management & Research, revista para una economía circular sostenible, 40 (12), 1730-1744. https://doi.org/10.1177/0734242x221105434

- Yang, J., Meng, F., Zhang, L., McKechnie, J., Chang, Y., Ma, B.,... y Cullen, J. (2023). Las soluciones para reciclar los residuos emergentes de las palas de turbinas eólicas en China aún no son eficaces. Communications Earth & Environment, 4 (1). https://doi.org/10.1038/s43247-023-01104-w

‍