- 清華大學團隊開發新技術回收退役風力發電機葉片。
- 閃光焦耳加熱技術可將葉片轉化為碳化矽和石墨烯。
- 新材料可提升樹脂性能，實現閉環系統。
- 此方法有潛力改變回收經濟模式，實現盈利。
清華大學的研究團隊開發了一種利用閃光焦耳加熱技術將退役風力發電機葉片轉化為碳化矽和石墨烯的「升級回收」方法。這兩種材料在製造業中具有高價值。大型風力發電機葉片的設計旨在抵禦極端環境，能夠在冰冷的風中劈砍、承受持續的紫外線輻射，並能抵擋雷電襲擊，使用壽命超過二十年。然而，當這些葉片的服務壽命結束時，極端的耐用性便成為了一個環境問題。退役的葉片大多數最終被掩埋在垃圾填埋場。
這支位於中國的團隊現在解決了這個長期存在的難題。這些化學和環境工程師找到了一種方法，利用短暫的極端熱量將堅固的複合材料廢料轉化為高價值的製造材料。研究人員準備了從廢棄風力發電機葉片回收的碳化矽和石墨烯增強的樹脂樣本，進行了拉伸性能測試。
在數秒內的熱奇蹟
處置危機與環境挑戰
2000 年代初的風能浪潮如今造成了一場迫切的處置危機，因為第一代 20 年使用的風力發電機葉片已經達到退役年限。中國、歐洲和美國每年退役的葉片廢料已達數千噸。德國和奧地利等國對複合材料廢料的全面填埋禁令使得尋找可擴展的替代處理方法成為可再生能源行業的當務之急。清華大學的資深作者及化學和環境工程師鄧冰表示：「隨著老化的風力發電機被退役，尤其是在風能快速擴張的中國，許多廢料最終被掩埋，這是一種資源浪費。」
關鍵在於每片葉片內部已經存在的原材料。風力發電機葉片由富含二氧化矽的玻璃纖維和以碳為主的樹脂組成。在這項新研究中，研究人員利用閃光焦耳加熱技術將破損的葉片材料瞬間加熱至約 2000°C（3632°F）。這種強烈的熱量觸發了快速反應，使碳與二氧化矽結合形成碳化矽，這是一種超硬、耐熱的化合物。同時，剩餘的碳原子重組為石墨烯，這是科學上已知的最強和最具導電性的納米材料之一。
將少量回收的碳化矽和石墨烯混合物直接整合進新樹脂中，能顯著提升性能。添加 0.3%重量的增強劑可使樹脂強度提高 27%，抗彎強度提高 9%。而僅僅添加 0.1%的濃度則可使熱擴散率提高 41%，使熱量散發得更加高效。這種升級材料可用於建造下一代風力發電機葉片，實現舊葉片幫助建造更強新葉片的閉環系統。
經濟效益與技術擴展
以盈利為目的的升級回收
現有的回收方法，如熱解和溶劑溶解，成本高且碳足跡大。閃光焦耳加熱技術或許還能改變經濟模式。清華大學的環境工程師及首席作者裴浩表示：「使用傳統回收方法，您需要花錢處理廢料。然而，我們的方法每噸實際上可以獲利約 US$80 (約 HK$624)，因為回收的碳化矽和石墨烯十分珍貴。」他補充道：「相比之下，熱解的成本約為每噸 US$460 (約 HK$3,588)，而化學溶解的成本約為每噸 US$1,800 (約 HK$14,040)。」該團隊目前正在擴大該工藝以便於工業應用。
擴展這項技術還可幫助從航空航天、汽車及電子行業升級回收複合材料。
隨著風力發電機葉片的退役問題日益嚴重，清華大學的研究提供了一個創新解決方案。利用閃光焦耳加熱技術，不僅能有效轉化廢料為高價值材料，還能顯著提升新材料的性能，形成閉環回收系統。這不僅有助於減少環境污染，還能降低回收成本，實現盈利，顯示出該技術在可再生能源領域的應用潛力。然而，如何在工業應用中擴大該技術的實施仍然是一大挑戰。
項目 規格 技術 閃光焦耳加熱 加熱溫度 約 2000°C (3632°F) 碳化矽增強樹脂強度提升 27% 碳化矽增強樹脂抗彎強度提升 9% 熱擴散率提升 41% 預測利潤 每噸約 US$80 (約 HK$624) 熱解成本 每噸約 US$460 (約 HK$3,588) 化學溶解成本 每噸約 US$1,800 (約 HK$14,040) 回收技術的潛在影響與挑戰