热固性与热塑性风力机叶片报废策略的生态审计比较

《Recycling》：Eco-Audit Comparison of End-of-Life Strategies for Thermoset and Thermoplastic Wind Turbine Blades

　　

摘要 风力机叶片复合材料构成了一个日益增长的报废（end-of-life, EoL）废弃物挑战，因为热固性叶片缺乏商业上成熟的回收途径，而热塑性叶片通过溶解提供了改善的可回收性。本研究采用基于累计一次能源需求的生态审计方法，比较了六种45 m叶片构型（包含玻璃纤维、碳纤维及混杂层合板增强的热固性环氧树脂与热塑性Elium树脂体系）的十种报废策略的净环境影响。溶剂分解（solvolysis）是热固性叶片的主导途径，溶解（dissolution）是热塑性叶片的主导途径，对于玻璃纤维、混杂和碳纤维构型，其净影响分别降至填埋基准的74.9%、31.7%和22.4%，以及53.6%、23.4%和18.3%。因此，热塑性叶片分别比对应的热固性叶片低296.0、273.1和217.2 GJ。高压脉冲破碎（high-voltage fragmentation, HVF）、常规热解（pyrolysis）和微波辅助热解（microwave-assisted pyrolysis, MAP）对于热固性玻璃纤维叶片是适得其反的，分别超过填埋26.6%、18.9%和8.1%，原因是工艺能耗高且回收玻璃纤维的价值有限。材料体系选择和回收途径选择共同决定了报废性能，其中途径维度对玻璃纤维叶片起主导作用。一项所有参数同时变化的蒙特卡洛（Monte Carlo）分析证实，溶剂分解和溶解在其各自的材料体系中于每一次运行中始终是首选途径。热塑性叶片在玻璃纤维和混杂层合板的运行中分别有100.0%和98.8%低于其热固性对应物，但在碳纤维情况下仅为80.3%，此时该优势仅是表明性的而非确定性的。这些结果凸显了通过材料选择和可回收复合体系设计未来风力机叶片的重要性。

热固性与热塑性风力机叶片报废策略的环境绩效：基于生态审计的系统比较与不确定性分析

一、研究背景与问题提出

风力发电系统依赖于轻质复合材料转子叶片，然而纤维增强复合材料蕴含的大量隐含能（embodied energy, EE）以及有限的可回收性，对其长期可持续性构成了重大挑战。更大规模的风力机配备更长的叶片虽然能够提高能量捕获并降低平准化电力成本，但也增加了叶片材料需求，并加剧了制造和报废（end-of-life, EoL）管理方面的挑战。随着第一代现代风力机逐步进入退役阶段，叶片处置与回收已成为重大的环境和工业关切问题。不断增长的叶片废弃物量促使人们加强对再利用、再循环和回收作为实际管理途径的关注。

商用风力机叶片（wind turbine blades, WTBs）主要以热固性（thermoset, TS）聚酯、乙烯基酯或环氧树脂为基体，并以玻璃纤维（glass fiber, GF）增强，而碳纤维（carbon fiber, CF）则更选择性地用于高承载区域如主梁帽。热固性体系在叶片制造中占据主导地位，因其具有高比强度和比刚度、疲劳抗力以及与大型结构灌注和固化工艺的兼容性。然而，其永久交联的聚合物网络无法重新熔融，限制了基体回收并使高价值回收变得困难。热塑性（thermoplastic, TP）复合材料因此作为未来叶片结构的候选材料日益受到研究关注。特别是液态丙烯酸热塑性树脂（如Elium）的低黏度使其能够采用与热固性复合材料相近的真空灌注工艺。与永久交联的热固性材料不同，热塑性基体可以被软化和再加工，Elium基复合材料可通过溶解分离以回收聚合物和增强体。然而，热塑性复合材料尚未在商用主叶片结构中得到广泛采用，其障碍包括厚截面复合材料和接头的可靠制造、长期结构耐久性的验证以及工业化规模生产。此外，关于可扩展的回收途径和热塑性叶片报废环境绩效仍存在不确定性。

废弃物管理等级将预防和延长使用寿命置于再利用和翻新、再循环、能量回收和填埋之上。本研究在叶片退役并需要报废处理之后开始评估。所评价的途径包括填埋、焚烧、水泥窑共处理、机械回收、高压脉冲破碎（HVF）、溶解、溶剂分解（solvolysis）、常规热解、微波辅助热解（MAP）和流化床回收。

以往关于叶片报废的环境研究包括废弃物管理研究、针对特定途径的生命周期评价（life-cycle assessment, LCA）以及若干回收工艺的比较。已有研究大多集中于单一材料体系、单一增强类别或选定的一组报废技术。因此，在相同假设下对匹配的热固性和热塑性叶片构型进行更广泛报废途径组比较的证据仍然有限。Liu等人提供了最接近的先前生态审计研究，比较了热固性玻璃纤维、混杂玻璃纤维/碳纤维和假设碳纤维叶片模型的八种报废方案。为在共同基础上比较这些材料体系和报废途径，本研究采用生态审计作为筛选框架。完整LCA使用详细清单数据评估多个环境影响类别，而生态审计提供基于能量的比较，适用于缺乏完整数据的新兴途径。

据此，本研究评估了六种45 m叶片构型的十种报废策略，这些构型将热固性或热塑性基体与玻璃纤维、混杂玻璃纤维/碳纤维或碳纤维增强相结合。研究目标为：（1）在一致的生态审计框架下量化十种报废策略的累计一次能源需求；（2）确定每种叶片构型相对于填埋的最低模拟一次能源需求；（3）确定热塑性构型是否以及在何种假设下相对于其热固性对应物提供报废优势。相对于先前研究，本研究增加了热塑性叶片构型，将工艺范围从八种扩展到十种报废策略，并通过单因素敏感性检验和46个参数同时变化的10万次蒙特卡洛分析检验比较排序的稳健性。通过将相同的核算规则应用于所有六种叶片构型，本研究分离了基体类型、增强类型和报废途径的影响。

二、关键技术方法

研究人员采用生态审计（eco-audit）方法作为简化生命周期评价框架，基于每单位质量的累计一次能源需求（cumulative primary energy demand）进行评估。研究评估了六种45 m叶片构型，结合热固性环氧树脂或热塑性Elium基体与玻璃纤维、碳纤维或玻璃/碳混杂增强，所有构型的树脂质量固定为2940 kg，基体类型和纤维架构配对以隔离各自效应。工艺输入以MJ/kg复合废弃物表示并缩放至每片叶片的层合板质量。采用避免负担（avoided-burden）方法计算回收物收益，纤维信用按回收纤维相对于原生纤维的拉伸强度保持率缩放，树脂信用按树脂质量因子和产率计算。所有工艺能量统一转换为一次能源基准，电力转换因子2.5、天然气1.1。工艺能量值来自工业规模设施模型和工厂清单，回收参数来自实验室和试验台规模测量。敏感性分析包括基于AACE国际推荐规程的规模放大不确定性、回收参数的不确定性范围，以及46个参数同时变化的10万次蒙特卡洛模拟。

三、研究结果

3.1 每种叶片构型和报废策略的净影响

三个因素在不同尺度上支配结果。叶片设计主导绝对值：仅生命周期基线就从热塑性玻璃纤维（TP-GF）的684 GJ到热固性碳纤维（TS-CF）的4420 GJ，相差6.5倍，由增强体的质量和隐含能驱动而非任何报废决策。报废途径选择使给定叶片移动461 GJ（TS-GF）至3462 GJ（TP-CF），因此途径选择在增强体能量最密集处最为重要。材料体系的贡献最小：在相同纤维架构下，热塑性叶片的生命周期影响比其热固性对应物低190至210 GJ，一旦对每种构型应用最佳可用途径，这一差距扩大至217至296 GJ。基例结果表明，溶剂分解在所有热固性构型中产生最低净影响，而溶解在所有热塑性构型中产生最低净影响。热途径表现因增强类型而异，对玻璃纤维热固性叶片益处有限。

3.2 热固性叶片构型的报废性能

对于TS-GF，生命周期影响主导净结果。溶剂分解给出最低净影响，其次是水泥窑共处理和机械回收。由于回收玻璃纤维的隐含能相对较低且拉伸强度保持有限，回收信用太小而无法抵消HVF、热解和MAP的工艺能量，因此这三种途径在基例假设下未能改善填埋基准，而流化床回收在基准的99.6%处与其基本无差异。对于TS-Hybrid，较高的碳纤维含量增加了回收增强体的价值。溶剂分解仍是最佳途径，而热回收因回收碳纤维信用日益抵消工艺能量需求而变得更具竞争力。HVF和机械回收提供较小但仍有意义的减少。对于TS-CF，原生碳纤维的高隐含能使高质量纤维回收尤为重要。溶剂分解再次给出最低净影响，其次是流化床回收和MAP，而机械回收因较低的性能保持率减少了碳纤维回收物信用而不太有利。

3.3 热塑性叶片构型的报废性能

对于TP-GF，溶解以较大优势给出最低净影响。水泥窑共处理是次优途径，而机械回收和焚烧仅提供中等程度的减少。HVF在基例脉冲数下超过填埋基准34.2%，因其工艺能量相对于回收玻璃纤维可获得的信用而言较高。对于TP-Hybrid，溶解也排名第一，因为它同时回收高价值碳纤维和热塑性基体。机械回收和HVF提供显著减少，基例条件下机械回收领先HVF每片叶片191 GJ。对于TP-CF，溶解再次表现最佳。机械回收和HVF提供中间程度的减少，而焚烧仍然无效，因为燃烧仅回收碳纤维主导复合材料中隐含能的一小部分。

3.4 不确定性下报废排序的稳健性

工艺能量不确定性对低能量途径影响甚微。HVF是对工艺能量最敏感的途径，其净影响在TS-Hybrid中从2065升至3436 GJ/叶片，排名从第五降至第八。MAP是排名发生移动的热途径。溶剂分解和溶解在其自身工艺能量的两个边界均不改变排名，因为该能量相对于各自产生的回收物信用而言较小。原生碳纤维隐含能是研究中最具影响力的单一参数，在其171至998 MJ/kg范围内使TS-Hybrid溶剂分解的净影响改变基例值的169%，TS-CF为289%，相应热塑性构型的溶解分别改变251%和374%。在所有49种重新排序构型的参数变化中，无一涉及溶剂分解或溶解。当所有46个参数同时变化时，溶剂分解在所有10万次运行中为所有三种热固性构型实现最低净影响，溶解在所有运行中为所有三种热塑性构型实现最低净影响，没有任何其他途径在任何运行中获得领先位置。热塑性叶片在玻璃纤维层合板的100.00%运行中和混杂层合板的98.84%运行中低于其热固性对应物，但在碳纤维情况下仅为80.33%，其第五百分位边际为负值?149.3 GJ/叶片，表明约五分之一的运行中经溶剂分解回收的热固性叶片优于经溶解回收的热塑性叶片。

四、讨论与结论

研究人员指出，交联热固性材料无法重新熔融而热塑性基体可重新熔融或溶解这一事实已确立，本研究确立的是这种潜力在何种假设下转化为更低的模拟报废一次能源需求。溶解对热塑性叶片实现的显著减少由三个关联因素解释：低工艺能量（6.31至7.85 MJ/kg）、同时回收增强纤维和Elium基体提供的基体信用、以及从Elium复合材料溶解回收的玻璃纤维保持全部拉伸强度而碳纤维保持原生强度的95.8%。热回收结果由工艺能量与回收增强体避免负担之间的平衡支配，该平衡更有利于富碳纤维废物流而非玻璃纤维废物流。研究局限性包括：生态审计仅评估单一聚合指标无法捕捉环境类别间的负担转移；若干热塑性构型的工艺能量和回收参数从热固性对应物转移而来；回收物信用代表按建模质量替代原生材料的被替代一次能源，而非已证明的闭环回路；拉伸强度保持率是替代潜力的不完整描述符。

研究结论翻译如下：本研究使用累计一次能源生态审计框架比较了六种45 m热固性和热塑性叶片构型的十种报废策略。在建模情景内，溶剂分解为热固性构型产生最低累计一次能源需求，而溶解为热塑性构型提供最低净影响。结果表明报废性能由叶片材料体系、工艺能量和回收物信用之间的相互作用支配。热回收对玻璃纤维热固性叶片不利，但对含碳纤维叶片更具竞争力，因为回收碳纤维提供更大的避免负担信用。热塑性构型在基例下所有三种增强类型中均实现比其热固性对应物更低的净影响，优势在玻璃纤维叶片中最大并在碳纤维叶片中收窄。当所有参数同时变化时，溶剂分解和溶解在其各自材料体系中于10万次运行中始终保有领先位置，其余策略间的排名变化仅限于机械回收、HVF、MAP、流化床回收、热解、焚烧和水泥窑共处理。热塑性叶片相对于热固性叶片的优势在玻璃纤维和混杂层合板中稳健，分别在100.0%和98.8%的运行中成立，但在碳纤维层合板中仅80.3%的运行中成立，因此对该增强类型而言该优势仅是表明性的而非确定性的。这些结论适用于所评估的六种构型、十种策略、系统边界和参数范围。未来工作应将分析扩展到多指标LCA、途径特定物流、Elium机械回收和HVF的实验数据，以及低技术就绪水平回收途径的规模化，尤其是溶解和溶剂分解。该论文发表在《Recycling》期刊。