Reutilização, reciclagem e descarte de peças de turbinas eólicas: uma investigação sobre as práticas da indústria

O descarte, a reciclagem e a reutilização adequados dessas peças são essenciais para preservar as vantagens ambientais da energia eólica, uma vez que as turbinas desativadas geram resíduos substanciais. Este artigo investiga as práticas atuais da indústria em relação ao gerenciamento de resíduos de geradores de turbinas eólicas (WTG), com foco em lâminas, que são os componentes mais difíceis de gerenciar no final de seu ciclo de vida.

Peças de turbina eólica

As turbinas eólicas são máquinas complexas projetadas para converter a energia cinética do vento em energia elétrica. Eles incluem vários componentes essenciais que funcionam juntos perfeitamente para otimizar a produção de energia. As principais partes de uma turbina eólica moderna incluem o rotor, nacela (nacelle), torre, e vários sistemas eletrônicos e mecânicos, cada uma desempenhando um papel fundamental na operação da turbina.

Rotor

O rotor consiste nas pás e no hub, responsáveis pela captura da energia eólica. As lâminas podem ser ajustadas (inclinadas) e são projetadas com superfícies de controle para melhorar o desempenho. Os materiais usados nas lâminas incluem fibra de vidro, madeira e alumínio, com compostos avançados que fornecem um equilíbrio entre resistência e leveza. Uma lâmina de fibra de vidro típica pode ter cerca de 15 metros de comprimento e pesar até 2.500 libras (aproximadamente 1,134 kg), dependendo do tamanho, modelo e material do componente.

Nacela ou nacelle

A nacelle é uma caixa protetora situada no topo da torre, contendo componentes essenciais, como o eixo de acionamento principal, a caixa de engrenagens, o gerador e a eletrônica de potência. Normalmente feito de fibra de vidro, ele também inclui sistemas para controle de inclinação das pás e controle de guinada, que ajustam a orientação da turbina em relação ao vento. Uma nacela típica pesa cerca de 22.000 libras (aproximadamente 9.979 kg) e contém várias peças mecânicas e eletrônicas cruciais para a eficiência da turbina.

Torre

A torre suporta a nacelle e o rotor a uma altura que maximiza a exposição ao vento. As torres geralmente são construídas em aço ou concreto galvanizado, proporcionando estabilidade e durabilidade contra condições ambientais adversas. Seu design pode variar, incluindo estruturas tubulares ou treliçadas, dependendo da aplicação e da altura necessária.

Trem de força, ou drive train

O trem de força compreende vários componentes principais, incluindo o eixo de baixa velocidade (LSS), rolamentos, acoplamentos, caixa de câmbio, eixo de alta velocidade (HSS) e freios. Esse sistema converte a energia mecânica capturada pelo rotor em energia elétrica através do gerador. As configurações avançadas do trem de força são essenciais para otimizar o processo de conversão e garantir a confiabilidade.

Eletrônica de potência

A interface eletrônica de potência atua como o “cérebro” da turbina eólica, gerenciando o fluxo de eletricidade gerada e otimizando o desempenho. Inclui conversores de energia que permitem o controle da potência ativa e reativa, garantindo uma integração eficiente com a rede elétrica. A interface desacopla a velocidade de rotação da turbina eólica da frequência elétrica, permitindo a operação em velocidade variável.

Componentes adicionais

Outros componentes vitais incluem transformadores, que convertem a eletricidade de baixa tensão gerada em um nível de média tensão para minimizar as perdas de transmissão, e caixas de serviços públicos que facilitam o processo geral de conversão de energia. A complexidade e a variedade de materiais usados nesses componentes, incluindo aço, cobre e elementos de terras raras, destacam os avanços na tecnologia que visam melhorar a eficiência e a sustentabilidade da energia eólica.

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O processo de fabricação de pás de turbinas eólicas contribui significativamente para a geração de resíduos. De acordo com pesquisadores, 10 a 15% dos materiais usados são desperdiçados durante a fabricação das lâminas e depois descartados em aterros sanitários (Almeida et al., 2022). A maior parte dos resíduos produzidos é feita de materiais compósitos, que são difíceis de reciclar devido à sua estrutura. Esse problema é destacado pelo fato de que, a cada ano, dezenas de milhares de toneladas de resíduos de turbinas eólicas são geradas a partir de pás desativadas (Kalman, 2021). A indústria deve adotar soluções abrangentes de reciclagem para mitigar o impacto ambiental desses resíduos, pois a incineração contribui para as emissões de CO2 e exacerba as mudanças climáticas (Kalman, 2021).

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Em resposta ao crescente problema de resíduos, várias iniciativas e projetos foram lançados para melhorar a reciclabilidade das pás de turbinas eólicas. Por exemplo, o Projeto ZEBRA visa desenvolver lâminas compostas 100% recicláveis, enquanto o Lâminas de descompressão projeto explora técnicas sustentáveis de reciclagem (Yang et al., 2023). Essas iniciativas destacam uma mudança em direção a uma economia circular no setor de energia eólica, onde o foco está na reutilização de materiais e na minimização do desperdício. No entanto, as tecnologias de reciclagem atuais ainda estão em sua infância e avanços significativos são necessários para fazer a transição de soluções em escala de laboratório para aplicações comerciais (Chen et al., 2019).

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Devido à composição das pás das turbinas eólicas, reciclá-las se torna um problema. A maioria das lâminas é feita de polímeros reforçados com fibra de vidro (GFRP), cujos componentes não são facilmente recicláveis. Atualmente, as técnicas de reciclagem são a reciclagem mecânica, térmica e química, que têm suas próprias vantagens e desvantagens. Por exemplo, a reciclagem mecânica envolve a trituração das lâminas em pedaços menores que podem ser empregados como enchimento em outros produtos. No entanto, essa abordagem faz com que a qualidade do material se deteriore. A reciclagem térmica, por outro lado, pode gerar energia a partir dos resíduos, mas pode emitir poluentes nocivos se não for descartada adequadamente (Sorte et al., 2023).

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Estudos investigaram abordagens modernas de reciclagem e descobriram a tecnologia de plasma que transforma pás de turbinas eólicas em microfibras, de acordo com a pesquisa de Kavaliauskas et al. (2023). A abordagem combina a reciclagem de materiais com a criação de novos produtos que atendem a várias aplicações nas indústrias de construção e manufatura. A pirólise agora se destaca como uma abordagem eficaz emergente que transforma materiais compostos de fibra de vidro em fibras de alto padrão que encontram seu caminho em novos materiais de produção (Ma et al., 2024). O setor de energia eólica agora mostra uma maior conscientização sobre práticas sustentáveis devido a esses desenvolvimentos.

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O impacto ambiental dos resíduos de turbinas eólicas vai além das próprias pás. As fundações de concreto e os componentes metálicos das turbinas também apresentam desafios de descarte. À medida que o número de turbinas desativadas aumenta, espera-se que o volume de resíduos gerados cresça exponencialmente, com projeções sugerindo que mais de 200.000 toneladas de resíduos de lâminas poderiam ser produzidas até 2034 (Hao et al., 2020). Isso ressalta a importância de desenvolver estratégias abrangentes de gerenciamento de fim de vida útil (EoL) que abranjam todos os componentes das turbinas eólicas, não apenas as pás.

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Os impactos ambientais das práticas de gerenciamento de resíduos de turbinas eólicas foram avaliados por meio de avaliações do ciclo de vida (LCA). Os custos ambientais do descarte de resíduos são significativos, embora as turbinas eólicas produzam significativamente mais energia do que a gasta em sua fabricação, de acordo com Paulsen e Enevoldsen (2021). De acordo com avaliações recentes, as perdas ambientais totais de uma única turbina eólica variam entre EUR 500.000 e EUR 1,1 milhão. Assim, há uma clara necessidade de planos adequados de gestão de resíduos. Por enquanto, acredita-se que a reciclabilidade dos projetos atuais de turbinas eólicas seja de 86%, o que significa que a recuperação do material ainda pode ser aprimorada (Paulsen & Enevoldsen, 2021).

Desafios na reciclagem e reutilização

A reciclagem e a reutilização de componentes de turbinas eólicas, particularmente as pás, apresentam desafios significativos devido aos seus materiais complexos e tamanhos grandes. À medida que a indústria enfrenta a fase de fim da vida útil dos sistemas de energia eólica, esses desafios se tornam cada vez mais proeminentes.

Complexidade dos materiais

As pás das turbinas eólicas são feitas principalmente de materiais compostos, como fibra de vidro e resinas epóxi, que complicam os processos tradicionais de reciclagem. Esses materiais são projetados para durabilidade e longevidade, dificultando sua desmontagem e reciclagem. Métodos de reciclagem mecânica, como a trituração, podem produzir materiais de menor qualidade, restringindo suas futuras aplicações na indústria e na construção. Além disso, técnicas avançadas de reciclagem, como a Fragmentação de Alta Tensão (HVF), podem produzir fibras mais limpas, mas exigem um consumo significativo de energia, aumentando as preocupações com os custos. No estudo de Mishnaevsky Jr. (2021), o autor, além de investigar as técnicas mais usadas para reutilizar pás eólicas, analisa materiais alternativos para sua construção, como fibras naturais e bambu, mas não chega a usá-los em turbinas eólicas de grande escala.

Fatores regulatórios e econômicos

A implementação de práticas eficazes de reciclagem também é dificultada por barreiras regulatórias e econômicas. Diferentes países têm regulamentações variadas em relação ao descarte e reciclagem de componentes de turbinas eólicas, o que pode impactar o desenvolvimento de estratégias de reciclagem coesas. Em regiões como a União Europeia, as regulamentações estão se adaptando para lidar com as questões de desperdício da energia eólica, mas ainda existem desafios na aplicação dessas políticas nos estados membros. Além disso, o custo relativo e o valor das tecnologias de reciclagem variam muito, criando discrepâncias na viabilidade das práticas de reciclagem entre diferentes empresas e regiões.

Lacunas tecnológicas e de infraestrutura

A infraestrutura necessária para uma reciclagem eficiente geralmente não existe, especialmente em regiões onde a energia eólica está se expandindo rapidamente. O estabelecimento de instalações de reciclagem é crucial para gerenciar resíduos de forma eficaz; no entanto, a localização estratégica e o investimento em infraestrutura de recuperação e reciclagem permanecem limitados. Essa situação exige colaboração entre pequenas e médias empresas e grandes corporações para inovar e melhorar os processos de gerenciamento de resíduos. As políticas públicas destinadas a promover uma economia circular podem ajudar, mas devem ser apoiadas de forma robusta para garantir que levem a melhorias tangíveis nas práticas de reciclagem.

Viabilidade econômica

A viabilidade econômica da reciclagem de componentes de turbinas eólicas também é um obstáculo significativo. Os custos de descomissionamento podem variar entre $114.000 e $195.000 por turbina e, embora as estimativas de salvamento possam reduzir esses custos, a estrutura econômica geral para reciclagem permanece subdesenvolvida. Como resultado, muitos desenvolvedores podem priorizar o custo em vez de práticas ambientalmente sustentáveis, complicando ainda mais os esforços para aprimorar a reciclagem e a reutilização no setor.

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A integração de uma abordagem de economia circular no setor de energia eólica pode gerar economias ambientais significativas. A implementação de estratégias que priorizem a reutilização e a reciclagem pode potencialmente alcançar reduções de 20 a 30% nos impactos ambientais associados aos resíduos do WTG. No entanto, a transição para uma economia circular está repleta de desafios, incluindo a necessidade de dados robustos sobre a geração de resíduos, o desenvolvimento de tecnologias de reciclagem em escala industrial e políticas de apoio que incentivem práticas sustentáveis (Woo & Whale, 2022).

Os desafios do gerenciamento de resíduos de turbinas exigem avanços tecnológicos e colaboração entre a indústria e a academia. A inovação por meio da colaboração do setor de partes interessadas é aprimorada quando iniciativas de pesquisa são estabelecidas para desenvolver novas soluções e, ao mesmo tempo, promover as melhores práticas. Por meio das parcerias com a indústria universitária, novos processos de reciclagem foram descobertos e projetos piloto criados para testar sua viabilidade de acordo com um estudo de Astolfi et al. (2018).

Existem diferentes processos de reutilização de pás eólicas, mais comumente métodos mecânicos, muitos dos quais já foram proibidos em muitos países. Técnicas que envolvem processamento químico mais refinado para a reutilização de lâminas, como pirólise e solvólise, não só se deparam com a impossibilidade de aplicação em larga escala, mas também com o fato de as lâminas poderem ter diferentes composições, dificultando a padronização de técnicas que precisam de mais refinamento (Paulsen, 2020).

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O cenário regulatório em torno do gerenciamento de resíduos da WTG também está evoluindo. À medida que o volume de equipamentos desativados aumenta, os governos estão começando a implementar políticas destinadas a promover a reciclagem e reduzir o uso de aterros sanitários. Essas políticas podem incluir mandatos para taxas de reciclagem, incentivos financeiros para empresas que investem em práticas sustentáveis e apoio à pesquisa e desenvolvimento em tecnologias de gerenciamento de resíduos (Mishnaevsky, 2021). Essas estruturas regulatórias serão essenciais para impulsionar a transição para um setor de energia eólica mais sustentável.

Apesar do progresso feito nas tecnologias e práticas de reciclagem, barreiras significativas permanecem. Os altos custos associados aos processos de reciclagem, juntamente com o baixo valor de mercado dos materiais reciclados, podem impedir o investimento em soluções sustentáveis de gerenciamento de resíduos (Sorte et al., 2023). Além disso, a falta de protocolos de reciclagem padronizados e a variabilidade nos designs das pás complicam o desenvolvimento de métodos universais de reciclagem (Sorte et al., 2023). Enfrentar esses desafios exigirá esforços conjuntos das partes interessadas do setor, pesquisadores e formuladores de políticas para criar uma estratégia coesa para gerenciar resíduos de turbinas eólicas.

Tendências futuras

À medida que o setor de energia renovável continua evoluindo, a reciclagem e o descarte de componentes de turbinas eólicas estão se tornando cada vez mais críticos. A aposentadoria prevista das turbinas eólicas de primeira e segunda geração, juntamente com um número crescente de novas instalações, ressalta a necessidade de soluções de reciclagem eficazes para gerenciar o desperdício resultante e a utilização de recursos. De acordo com Liu e Barlow (2017), estima-se que até 2050, para cada tonelada de material usado na fabricação de turbinas eólicas, 0,7 toneladas de resíduos serão produzidas, o que significa que até 2050 teremos 2,5 milhões de toneladas de resíduos do segmento eólico.

Avanços nas tecnologias de reciclagem

Avanços significativos nas tecnologias de reciclagem estão no horizonte. Especialistas do setor estão desenvolvendo métodos inovadores para recuperar materiais valiosos de peças de turbinas eólicas desativadas. Por exemplo, as empresas estão explorando técnicas para decompor materiais compostos em matérias-primas reutilizáveis, fechando efetivamente o ciclo do que antes era considerado resíduo. Essa mudança em direção a uma economia circular não se limita apenas às pás; a reforma de caixas de câmbio e outros componentes metálicos para reentrada no ciclo de produção está ganhando força como meio de reduzir substancialmente as emissões.

Incentivos políticos e econômicos

Espera-se que as mudanças políticas desempenhem um papel vital no aprimoramento dos esforços de reciclagem. Mandatos legislativos para a reciclagem de componentes de turbinas eólicas, juntamente com incentivos financeiros para empresas que investem em infraestrutura de reciclagem, podem acelerar os avanços tecnológicos do setor. Essas iniciativas não apenas promoverão a sustentabilidade, mas também incentivarão o crescimento econômico por meio da criação de novos empregos nos setores de reciclagem e manufatura.

Iniciativas de pesquisa colaborativa

Os esforços de pesquisa colaborativa são essenciais para superar as barreiras existentes à reciclagem. Estabelecer parcerias entre organizações de pesquisa, fabricantes de componentes e desenvolvedores de usinas eólicas pode facilitar o desenvolvimento de padrões e metodologias de certificação para materiais reciclados, garantindo sua aceitação em mercados secundários. Esses esforços colaborativos visam qualificar novos materiais sustentáveis, promovendo a inovação e o avanço das tecnologias para atender às crescentes demandas do setor de energia eólica.

Considerações ambientais

O foco na sustentabilidade e inovação na reciclagem de turbinas eólicas está pronto para contribuir significativamente para a gestão ambiental. Ao implementar processos de reciclagem eficazes, a indústria pode mitigar os riscos de acúmulo de resíduos e poluição associados aos métodos convencionais de descarte, apoiando assim um ambiente mais limpo. Também se espera que a integração de componentes de base biológica e polímeros termoplásticos em novos projetos de turbinas eólicas aumente a sustentabilidade geral dos materiais usados no setor, influenciando sua recuperação e reciclabilidade no futuro.

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Conclusão

Em conclusão, a reutilização, reciclagem e descarte de peças de turbinas eólicas são componentes essenciais das práticas sustentáveis de energia eólica. Como o setor enfrenta um volume crescente de turbinas desativadas, é imperativo desenvolver estratégias eficazes de gerenciamento de resíduos que priorizem a reciclagem e minimizem os impactos ambientais. Embora avanços significativos tenham sido feitos nas tecnologias e práticas de reciclagem, pesquisas contínuas, colaboração e políticas de apoio serão essenciais para superar os desafios associados ao gerenciamento de resíduos de turbinas eólicas. Ao adotar uma abordagem de economia circular, o setor de energia eólica pode garantir que seus benefícios ambientais não sejam ofuscados pelos resíduos gerados por turbinas desativadas.

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