Validation of a laboratory-scale technology for complete recycling of wind turbine blades

ABSTRACT: This paper presents the experimental validation of a thermal treatment technology to recover added-value substances from the plastic matrix of end-of-life wind turbine blades, when these are subjected to a pyrolysis process to recover the glass fibres. The experiments have been carried out in a laboratory installation consisting of two reactors in series, in which pyrolysis and thermal treatment of pyrolysis gases and vapours take place, respectively. The application of this treatment enables a 25 wt.% reduction in the production of pyrolysis liquids, increasing the production of gases in an equivalent way and without compromising the pyrolysis conditions to be used to recover the glass fibres. The two-phase liquids are converted into single-phase aqueous ones, while the hydrogen concentration in the gases increases from 4 % to almost 50 % in volume. This high concentration of hydrogen in the gases allows them to be used as a source of hydrogen for various applications. Consequently, the technology demonstrates that the plastic matrix of wind turbine blades can be valorised in a pyrolysis based recycling process.

Keywords: palas de aerogeneradores, pirólisis, reciclado químico, hidrógeno, materiales compuestos, fibras de vidrio, resina epoxi.

1. Introducción

España es la quinta potencia mundial en producción de energía eólica, con casi 1300 parques eólicos distribuidos a lo largo de su geografía y una producción de más del 20 % de la electricidad a partir de la energía del viento [1]. Casi el 40 % de los aerogeneradores españoles fueron instalados antes de 2005 y, teniendo en cuenta que poseen una vida útil de 20 años, nos encontramos actualmente ante el comienzo del desmantelamiento y/o la repotenciación masiva de los parques eólicos españoles, lo que implica la generación de grandes cantidades de un “nuevo” residuo industrial: los aerogeneradores [2]. A día de hoy, se considera que entre el 80 y el 90 % de los materiales de un aerogenerador se pueden reciclar o reutilizar, especialmente el acero, el cobre y el aluminio presentes en la base, la torre y la góndola. Sin embargo, las palas presentan una mayor dificultad para el reciclado ya que están compuestas principalmente por materiales compuestos de matriz plástica termoestable y refuerzo de fibras de vidrio y/o carbono [3].

Este tipo de materiales carece en la actualidad de un proceso de reciclado consolidado y, dado que las palas de aerogeneradores no son un residuo peligroso, por el momento están siendo almacenadas y/o dispuestas en su mayoría en vertederos. Según un informe del Centro Nacional de Materiales Compuestos del Reino Unido, las únicas alternativas de tratamiento que podrían ser competitivas en un plazo breve de tiempo son la co-incineración en plantas productoras de cemento y la trituración de las palas para utilizar el material triturado como refuerzo de otras matrices [4]. Sin embargo, existen otras dos posibilidades de tratamiento que se encuentran actualmente en diferentes estadios de desarrollo e implantación: la pirólisis y la solvólisis. Ambas permiten, en principio, una opción de reciclado de mayor calidad centrada en la separación de la resina y las fibras con el objetivo de recuperar y reutilizar las fibras. La pirólisis se fundamenta en un proceso de calentamiento a temperatura moderada en atmósfera libre o pobre en oxígeno, lo que produce la descomposición térmica de la resina polimérica en gases y vapores, liberando las fibras; por otro lado, la solvólisis se basa en la disolución química de la resina, que pasa a formar parte de una fase líquida que también puede separarse de las fibras [5]. En el caso concreto de las palas de aerogeneradores, que contienen otros materiales como madera de balsa, espumas de PET/PVC o pinturas/adhesivos de poliuretano, la pirólisis es un proceso más robusto que la solvólisis, ya que la acción del calor permite la descomposición térmica de todos estos materiales y la liberación de las fibras. Por el contrario, la solvólisis, que requiere de la compatibilidad química entre el disolvente y el material a disolver, puede ser una solución técnicamente no viable para residuos de fin de vida útil constituidos por materiales de diferente naturaleza, como es el caso. Así, la recuperación de fibras de vidrio procedentes de palas de aerogeneradores a través de un proceso de pirólisis es ya una realidad que comienza a coger visos de implantación industrial a gran escala [6].

Sin embargo, existe un reto al que ni la industria ni la comunidad científica se ha enfrentado todavía, y no es otro que el de la recuperación de sustancias de valor añadido procedentes de la resina polimérica, además de las fibras. El escenario actual ofrece dos opciones: (1) la combustión de los gases y vapores que se generan en la descomposición de la resina, lo que impide la recuperación de sustancias, pero permite el aprovechamiento energético en el propio proceso a costa de un tren de limpieza de gases y un punto de emisión, y (2) el enfriamiento de esa mezcla de gases y vapores con la consiguiente condensación de unos aceites de pirólisis de carácter muy aromático, en ocasiones bifásicos (agua y aceite) y con un contenido significativo de heteroátomos (O, N, S, halógenos), que dificulta enormemente su utilización como fuente de materias primas [7-8]. El grupo de investigación que firma este artículo propone una alternativa a las opciones mencionadas, que se basa en el tratamiento térmico o termo-catalítico de los gases y vapores previo al enfriamiento y condensación, lo cual permite maximizar la producción de gases con un alto valor añadido por su contenido en hidrógeno y minimizar la generación de líquidos, que se convierten en disoluciones acuosas de composición simplificada. Se trata de un proceso patentado por el grupo de investigación y que ha sido aplicado con éxito a residuos de producción de la fabricación de aeronaves [9-11]. En este artículo se presentan por primera vez los resultados obtenidos con palas de aerogeneradores, un residuo de fin de vida útil.

2. Materiales y métodos

La muestra utilizada para los ensayos está constituida por piezas de 10 cm x 6 cm x 1 cm, extraídas de la raíz (root) de una pala de aerogenerador de fin de vida útil, cuya composición material es resina epoxi reforzada con fibra de vidrio y una ligera capa de laca exterior, posiblemente de poliuretano. Los resultados obtenidos en la aplicación de la norma ASTM D3171-15 (procedimiento G) para determinar la cantidad de fibra de vidrio de la muestra indican que estas constituyen el 64.2 % en peso, si bien hay que tener en cuenta que, dado que el procedimiento se basa en un método termogravimétrico en presencia de aire, las posibles cargas inorgánicas presentes en el material compuesto también son contabilizadas como fibra de vidrio. El análisis elemental de la muestra fue determinado por la combinación de dos técnicas: (1) carbono, hidrógeno y nitrógeno, a través del analizador automático LECO TrueSpec CHN (norma UNE-EN ISO 21663:2021), y (2) azufre, flúor, cloro y bromo, a través del procedimiento recomendado en la norma UNE-EN 14582:2016, que se basa en la combustión de la muestra en una bomba calorimétrica seguida de la absorción de los elementos mencionados en forma de sulfatos, fluoruros, cloruros y bromuros en una disolución básica que posteriormente se analiza por cromatografía iónica (Dionex ICS 3000). Los resultados del análisis elemental del residuo muestran que el elemento mayoritario es carbono (23.6 % peso), seguido de oxígeno (4.1 % peso), flúor (3.9 % peso), hidrógeno (2.4 % peso), nitrógeno (0.9 % peso) y cloro (0.3 % peso). En concentraciones inferiores también se detectaron azufre (382.7 ppm) y bromo (95.3 ppm).

Los ensayos de pirólisis se llevaron a cabo en una instalación de laboratorio compuesta por dos reactores en serie y un sistema de enfriamiento, condensación y recogida de productos líquidos y gaseosos. En el primer reactor, de tipo tanque no agitado, tiene lugar la pirólisis del residuo, mientras que el segundo, de tipo tubular y relleno con un lecho sólido de refractario de alta alúmina, se utiliza para el tratamiento de los gases y vapores. Las condiciones de operación de los ensayos que se presentan en este artículo fueron las siguientes: (1) calentamiento del residuo en el primer reactor desde temperatura ambiente hasta 500 °C a una velocidad de calentamiento de 3 °C min^-1 y sin la utilización de gas inerte de arrastre o purga del aire contenido inicialmente en el reactor; (2) tratamiento térmico a 900 °C en el segundo reactor, al que acceden los gases y vapores generados en el primer reactor por la descomposición térmica de la resina; (3) condensación en 3 etapas, siendo la primera a temperatura ambiente por medio de un condensador de aire y las dos siguientes mediante circulación constante de agua a través de la camisa exterior de los dos condensadores colocados a continuación del primero; (4) recogida de líquidos y gases en los condensadores y bolsas de muestreo, respectivamente; (5) oxidación controlada a 500 °C de los residuos carbonosos que impregnan las fibras tras la pirólisis en el primer reactor, en presencia de un caudal de 6.6 L min^-1 de aire y con monitorización continua del CO y CO₂ producido a través de un espectrómetro de masas OmniStar® GSD 301 O3, para determinar el punto final de la oxidación. En los ensayos sin tratamiento térmico no se aplica el paso (2) y los gases y vapores generados en el primer reactor son dirigidos directamente a los condensadores. Los rendimientos de pirólisis se calcularon por diferencia de pesada para el caso de los sólidos y de los líquidos, mientras que el rendimiento de gases se calculó por diferencia al 100 % en peso.

En lo que se refiere a la caracterización de productos, la composición de los gases se determinó por cromatografía gaseosa (Agilent 7890A) con detectores de conductividad térmica (TCD) y de ionización de llama (FID), mientras que la composición de los líquidos se midió por cromatografía gaseosa (Agilent 6890) acoplada a espectrometría de masas (Agilent 5973). La composición cuantitativa de los gases se obtuvo por calibración del cromatógrafo con una mezcla patrón estandarizada de 10 sustancias, y se utilizó para calcular los poderes caloríficos superior e inferior del gas de pirólisis, utilizando las entalpías de combustión de las sustancias que contenía. Tanto la composición como los poderes caloríficos del gas están calculados en base seca y libre de cualquier sustancia diferente a las presentes en la mezcla patrón. La composición de los líquidos se obtuvo de manera cualitativa (% área), considerando como compuestos bien identificados solo aquellos para los cuales la base de datos del espectrómetro de masas (NIST-08) ofrecía una calidad de comparación de espectros ≥ 85. Las propiedades elásticas y de resistencia de las fibras se evaluaron a través de ensayos uniaxiales a fibras únicas a temperatura ambiente con un sistema Textechno FAVIMAT+ (se caracterizaron alrededor de 28 fibras). Se utilizó una distancia entre mordazas de 15 mm, con una velocidad de deformación constante de 1 mm/min y una pretensión de 0.7 cN/tex, utilizando para ello una célula de carga de 210 cN. Para poder calcular la superficie de las fibras, y asumiendo que su sección transversal es equiparable a una circunferencia, se determinó su diámetro través de observaciones de la superficie de 15 fibras mediante microscopía electrónica de barrido (SEM EVO MA 15, Zeiss) con un voltaje de aceleración de 5 kV y 86 pA en modo secundario de electrones.

3. Resultados y discusión

En la Tabla 1 se muestran los rendimientos obtenidos en los ensayos de pirólisis, sin y con tratamiento térmico, así como la composición de los gases y líquidos generados. Como se puede observar en la tabla, cuando se realiza un ensayo de pirólisis convencional, es decir, sin la etapa de tratamiento térmico de los vapores y gases generados, se obtienen tres fracciones de productos (sólidos, líquidos y gases), de las cuales los sólidos constituyen claramente el producto principal. En esta fracción sólida se encuentran las fibras de vidrio, que como se ha mencionado anteriormente son el 64.2 % peso de la muestra, de lo que se deduce que el 10.6 % peso restante es char, que es el producto carbonoso típico de la pirólisis de polímeros con grupos funcionales oxigenados, como es el caso de la resina epoxi. Este porcentaje también podría incluir, aunque de manera minoritaria, resina que no se haya descompuesto completamente. El segundo producto en importancia, en lo que se refiere a los rendimientos, son los líquidos de pirólisis, que están constituidos por dos fases, de las cuales la fase orgánica es mayoritaria. Estos dos líquidos, una vez separados por centrifugación y analizados individualmente, presentan una composición muy compleja en la que parece que el fenol es el compuesto principal, cuestión ésta que no se puede afirmar con rotundidad dado que la composición está expresada en % en área y que ambos líquidos presentan unos porcentajes considerables de compuestos no identificados, especialmente la fase acuosa. Esto hace que la recuperación de sustancias a partir de estos líquidos sea muy poco competitiva, como tampoco lo es la utilización de los mismos como sustitución parcial en procesos de refinería o como combustible alternativo, principalmente debido a la presencia significativa de heteroátomos (O, N, Cl). En cuanto al gas de pirólisis, se trata de un producto minoritario y de escaso valor, ya que está compuesto en más del 50 % en volumen de CO₂, lo que limita su utilización material y también la energética, que se ve condicionada por el bajo poder calorífico que precisamente le otorga este alto valor de CO₂ al gas de pirólisis. Productos de composición similar han sido obtenidos por otros grupos de investigación en procesos de pirólisis convencional de palas de aerogeneradores fabricadas con epoxi como matriz polimérica [7-8].

Rendimientos (% peso)		Sin tratamiento térmico		Con tratamiento térmico
		Promedio	Desviación estándar	Promedio	Desviación estándar
Sólidos reactor 1 (pirólisis)		74.8	2.0	74.0	0.6
Sólidos reactor 2 (tto. Térmico)		-		4.0	0.4
Líquidos	Fase acuosa	3.2	0.2	6.0	0.8
	Fase orgánica	15.3	1.6	0.0	0.0
Gases		3.8	0.8	16.0	0.2
Composición de gas (% volumen)		Sin tratamiento térmico		Con tratamiento térmico
H2		3.8	0.5	46.5	1.0
CO		11.5	0.6	21.5	0.3
CO2		56.0	3.2	10.3	0.8
CH4		16.5	1.4	19.7	0.6
C2H6		3.6	0.4	0.2	0.0
C2H4		2.2	0.0	1.7	0.1
C3H8		1.6	0.1	0.1	0.0
C3H6		3.8	0.1	0.0	0.0
C4		0.7	0.0	0.0	0.0
C5		0.2	0.0	0.0	0.0
Poderes caloríficos de gas (MJ kg-1)		Sin tratamiento térmico		Con tratamiento térmico
Poder calorífico superior (PCS)		11.9	1.0	26.0	0.5
Poder calorífico inferior (PCI)		11.0	1.0	23.6	0.5
Composición de líquidos (% área)		Sin tratamiento térmico		Con tratamiento térmico
Fase orgánica
Fenol		36.3	5.3	-
Otros compuestos fenólicos		38.7	7.4	-
Otros compuestos oxigenados		5.8	0.5	-
Compuestos nitrogenados		0.9	0.1	-
Hidrocarburos aromáticos		1.9	0.4	-
Hidrocarburos alifáticos		0.2	0.0	-
Compuestos halogenados		0.3	0.2	-
No identificados		15.9	-	-
Fase acuosa
Fenol		39.2	1.6	-
Otros compuestos fenólicos		1.7	0.9	-
Otros compuestos oxigenados		9.0	0.7	-
Compuestos nitrogenados		0.2	0.0	-
No identificados		49.8	-	-

Tabla 1. Rendimientos de pirólisis y composición de productos gaseosos y líquidos

Los resultados que se obtienen cuando la pirólisis se complementa con el tratamiento térmico de los productos de la descomposición de la resina se pueden observar en la columna derecha de la Tabla 1. No se incluye la composición de los líquidos porque la generación fue tan baja que no se pudo recuperar cantidad suficiente para el análisis. En cuanto a los rendimientos, los sólidos siguen siendo la fracción mayoritaria, lo cual es esperable porque el tratamiento térmico no actúa sobre el primer reactor, con lo que la recuperación de las fibras puede realizarse de la misma manera que en una pirólisis convencional. Aparte de los sólidos que contienen las fibras, se forma también una sustancia sólida en el reactor de tratamiento (reactor 2), la cual es mayoritariamente coque depositado sobre el relleno, resultante de las reacciones de craqueo térmico en las que intervienen las sustancias que lo atraviesan. El efecto del tratamiento térmico se puede observar claramente en la producción de líquidos y gases, principalmente a través de 4 indicadores: (1) disminución de líquidos totales – de 21.5 a 6.0 % peso –, (2) disminución de la fase orgánica de los líquidos – de 17.7 % a eliminación total –, (3) aumento del gas de pirólisis – de 3.7 a 16.0 % peso –, (4) aumento de la concentración de H₂, CO y CH₄ en los gases – de 31.9 a 87.7 % en volumen (suma total) –. Los resultados que se obtienen tras la aplicación del tratamiento hacen que se pase de un escenario en el que se obtienen 2 productos de escasa utilización (líquidos bifásicos de composición compleja y presencia de contaminantes + gases ricos en CO₂) a otro en el que se maximiza la generación de un producto gaseoso que contiene casi un 50 % en volumen de hidrógeno y un poder calorífico casi 3 veces superior que el de los gases de la pirólisis convencional además de minimizar la producción de líquidos. De hecho, no se recogió ningún líquido en los condensadores de la planta durante el ensayo con tratamiento térmico; el 6.0 % en peso de líquidos que se muestra en la Tabla 1 se corresponde con condensaciones en las tuberías y conducciones de la instalación cuantificadas por diferencia de pesada. En lo que respecta a los gases, tienen una composición tal que, tras una etapa sencilla de purificación – por ejemplo, adsorción con carbón activo – podrían ser utilizados como materia prima para los procesos de separación de H₂, generando una corriente de H₂ puro que pudiese utilizarse para aplicaciones como pila de combustible y una corriente secundaria que contendría el resto de sustancias y aún conservaría un poder calorífico suficiente como para auto-abastecer, parte del gasto energético del proceso. En segunda instancia, este gas también podría ser utilizado como gas de síntesis en las múltiples aplicaciones que presentan estas mezclas ricas en H₂ y CO (e incluso CH₄). Estos resultados coinciden con lo observado por el equipo investigador que firma este artículo en sus experimentos con residuos de material compuesto de base epoxi procedentes de la industria aeronáutica [10, 12].

En la Tabla 2 se muestran las propiedades mecánicas y el diámetro de las fibras de vidrio recuperadas, una vez eliminado el residuo carbonoso que las acompaña tras el proceso de pirólisis. En primer lugar, se puede observar que el diámetro de las fibras entra dentro del intervalo habitualmente empleado para la fabricación de las palas de aerogeneradores (4-20 µm) [13]. Sin embargo, al carecer de las propiedades exactas de las fibras vírgenes utilizadas para la fabricación de las palas empleadas en la experimentación, no se puede determinar si el proceso de pirólisis produjo una reducción del diámetro de las fibras. Lo mismo ocurre con las propiedades mecánicas; no obstante, dado que lo esperado es que se utilicen fibras de vidrio tipo E, se puede establecer la comparación con las propiedades mecánicas de ese tipo de fibras. Rahimizadeh y col. reportaron los siguientes valores para fibras de vidrio vírgenes tipo E: 71 GPa de módulo elástico, 2485 MPa de resistencia a la tracción y un 3.5 % de deformación a rotura [13]. Si se comparan estos datos con los presentados en la Tabla 2, se puede observar que el módulo elástico se conserva en valores similares, no así la resistencia a la tracción y la deformación a rotura, que sufren una pérdida de aproximadamente un 75 % con el proceso de pirólisis y oxidación. Esta pérdida de resistencia es mayor que la reportada por Rahimizadeh y col. (60 %) [13] y probablemente se deba a que los experimentos presentados en este artículo no fueron diseñados para minimizar la pérdida de propiedades mecánicas de las fibras, sino para valorizar la resina polimérica. De hecho, otros grupos de investigación también han publicado pérdidas menores de resistencia, en torno al 40-50 % [14]. En cualquier caso, la pérdida significativa de resistencia de las fibras de vidrio a partir de temperaturas de 200-300 °C es un hecho conocido [15]. Esto no es óbice, sin embargo, para que estas fibras se puedan utilizar en ciertas aplicaciones como refuerzo en nuevos materiales compuestos, como ya demostraron hace varios años Cunliffe y Williams [16] o como lo está haciendo en la actualidad el desarrollo industrial en este ámbito. Además, existen opciones para obtener mejores resultados mecánicos, como la pirólisis por etapas [17] o el post-tratamiento de las fibras [18].

Diámetro (µm)	Módulo elástico (GPa)	Resistencia a tracción (MPa)	Deformación (%)
15.4 ± 0.6	75.1 ± 7.2	600.0 ± 87.2	0.8 ± 0.1

Tabla 2. Propiedades mecánicas y diámetro de las fibras de vidrio recuperadas

4. Conclusiones

Las principales conclusiones de este trabajo de investigación son las siguientes:

- La pirólisis convencional de palas de aerogeneradores genera unos productos líquidos y gaseosos de escaso valor y con muy limitada aplicación. Los líquidos presentan dos fases y ambas están compuestas por multitud de sustancias químicas, principalmente de tipo fenólico, pero también compuestos aromáticos y sustancias orgánicas con nitrógeno y cloro.

- El tratamiento térmico de los gases y vapores de la pirólisis a 900 °C antes de la etapa de enfriamiento y condensación permite minimizar los líquidos generados, que además presentan una única fase acuosa. Al mismo tiempo, la producción de gas es más de 4 veces superior y contiene casi un 50 % en volumen de H₂, con altos porcentajes de CO y CH₄.

- Las fibras de vidrio recuperadas en estos experimentos conservan su módulo elástico, pero pierden aproximadamente un 75 % de su resistencia a la tracción y de su deformación a la rotura.

- La tecnología de tratamiento térmico de los gases y vapores de pirólisis se considera validada para palas de aerogeneradores al final de su vida útil.

Referencias

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Disponible en: https://www.retema.es/articulos-reportajes/hacia-una-economia-circular-para-las-palas-eolicas

[2] Asociación Empresarial Eólica, Economía circular en el sector eólico. Palas de aerogeneradores. Informe. Noviembre 2021. Disponible en: https://aeeolica.org/wp-content/uploads/2021/12/AEE-2021-Economia-Circular-en-el-sector-eolico_Palas-de-los-Aerogeneradores.pdf

[3] WindEurope, European Chemical Industry Council (Cefic), European Composites Industry Association (EuCIA), Accelerating Wind Turbine Blade Circularity. Mayo 2020. Disponible en: https://windeurope.org/wp-content/uploads/files/about-wind/reports/WindEurope-Accelerating-wind-turbine-blade-circularity.pdf

[4] National Composites Centre, Delivering a sustainable future for composites in wind. SUSwind annual review. Abril 2022. Disponible en: https://www.nccuk.com/media/u1el5jap/suswind-annual-review-2022-final.pdf

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