بازارهای نهایی کامپوزیت‌ها: انرژی (۲۰۲۵)

بازارهای نهایی کامپوزیت‌ها: انرژی (۲۰۲۵)

با وجود چالش‌های سیاسی و زنجیره تأمین، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و هسته‌ای همچنان در حال رشد است. مواد کامپوزیتی نقش مهمی در فناوری‌های انرژی کنونی و آینده در بخش‌های مختلف ایفا می‌کنند.

 

آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) مستقر در پاریس، فرانسه، در تازه‌ترین گزارش خود با عنوان «بررسی جهانی انرژی» که در مارس ۲۰۲۵ منتشر شد، اعلام کرد تقاضای جهانی انرژی در سال ۲۰۲۴ به میزان ۲.۲٪ رشد داشته است — یعنی تقریباً دو برابر میانگین نرخ رشد در دهه گذشته. این افزایش عمدتاً ناشی از افزایش تقاضای برق برای سیستم‌های سرمایشی، صنایع، برق‌رسانی به بخش حمل‌ونقل و رشد مراکز داده‌ی هوش مصنوعی (AI) بوده است.

در حالی که IEA گزارش می‌دهد تقاضا برای تمامی سوخت‌ها و فناوری‌ها (از جمله انرژی‌های تجدیدپذیر، نفت، گاز طبیعی، زغال‌سنگ و انرژی هسته‌ای) افزایش یافته، ۸۰٪ از رشد تولید برق جهانی در سال ۲۰۲۴ از منابع تجدیدپذیر و انرژی هسته‌ای تأمین شده است. برای نخستین بار، این منابع در مجموع ۴۰٪ از کل تولید برق جهان را به خود اختصاص داده‌اند.

بسیاری از فناوری‌های تولید انرژی و برق به‌شیوه‌های گوناگون با استفاده از مواد کامپوزیتی ممکن شده‌اند. این گزارش، هرچند جامع نیست، نگاهی کلی به چشم‌انداز و فناوری‌های نوین مرتبط با کامپوزیت‌ها در این صنایع ارائه می‌دهد.

بسیاری از فناوری‌های تولید انرژی و برق، به روش‌های مختلف، با استفاده از مواد کامپوزیتی امکان‌پذیر شده‌اند. این گزارش، هرچند جامع نیست، به مرور کلی وضعیت فعلی و فناوری‌های نوین مرتبط با کامپوزیت‌ها در این صنایع می‌پردازد.

در آگوست ۲۰۲۴، شرکت MingYang Smart Energy (گوانگ‌دونگ، چین) reportedly نخستین توربین بادی فراساحلی خود با توان ۱۸ تا ۲۰ مگاوات را با نام MySE18.X-20MW در هاینان، چین نصب کرد. پیش‌بینی می‌شود این توربین بتواند سالانه حدود ۸۰ میلیون کیلووات‌ساعت برق تولید کند. این شرکت همچنین اعلام کرده است که در حال کار بر روی توربین بزرگ‌تری با توان ۲۲ مگاوات است. شرکت Hengshen Co. Ltd. (دانیانگ) نیز اعلام کرده که تأمین‌کننده انحصاری پارچه فیبر کربن برای یکی از پلتفرم‌های توربین بادی فوق‌العاده بزرگ MingYang است؛ توربینی با تیغه‌هایی به طول ۱۴۳ متر برای مدل MySE292.

در همین حال، با هدف رقابت با چین، شرکت Siemens Gamesa (زامودیو، اسپانیا) طبق گزارش منابع متعدد، یک توربین بادی فراساحلی نمونه با توان ۲۱ مگاوات را در دانمارک نصب کرده است. همچنین طبق گزارش شورای جهانی انرژی باد (GWEC)، مدل V236-15.0MW از شرکت Vestas (آرهوس، دانمارک) تاکنون بیش از ۶ گیگاوات سفارش قطعی در سطح جهانی دریافت کرده است.

توربین‌های بادی خشکی‌مستقر (Onshore) نیز در حال بزرگ‌تر شدن هستند و طول تیغه‌های آن‌ها افزایش یافته است. برای نمونه، شرکت چینی Sany Renewable Energy (پکن) در سال ۲۰۲۴ تولید تیغه‌ای به طول ۱۳۱ متر را برای مدل SY1310A خود اعلام کرد. گزارش‌ها حاکی از آن است که این تیغه‌ها برای توربین‌های ۱۰ مگاواتی زمینی این شرکت استفاده خواهند شد و احتمالاً در آینده برای توربین‌های ۱۵ مگاواتی نیز به کار گرفته می‌شوند؛ توربین‌هایی که گفته می‌شود بزرگ‌ترین توربین‌های بادی زمینی ساخته‌شده تا امروز هستند.

گفته می‌شود تیغه‌ها با استفاده از فناوری‌های پیشرفته‌ای چون پیش‌دوخت (pre-quilting) الیاف شیشه‌ای، ورق‌های تقویتی کامپوزیتی فیبر کربن (spar caps)، تزریق خودکار در مسافت طولانی برای ساخت تیغه‌های کامپوزیتی بزرگ و طراحی سه‌بعدی برای درج‌های چسبی کور (blind bonding inserts) در لبه پشتی تیغه تولید می‌شوند. همچنین از قطعات سازه‌ای پلی‌یورتان برای افزایش قابلیت بازیافت تیغه‌ها استفاده شده است.

علاوه بر این، شورای جهانی انرژی باد (GWEC) گزارش داده است که شرکت‌های Nordex (هامبورگ، آلمان)، Vestas و Enercon (اوریش، آلمان) طی چند سال گذشته به‌روزرسانی‌هایی در توربین‌های بادی زمینی خود انجام داده‌اند.

نوآوری در مواد spar cap: یکی از فناوری‌های کلیدی برای ساخت تیغه‌های بلندتر و کارآمدتر، استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) در ساخت spar capها است، که در مقایسه با کامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای، وزن کمتر، سختی بیشتر و استحکام بالاتری ارائه می‌دهند.

به‌طور معمول، spar capهای کامپوزیتی تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) از طریق فرایند پولتروژن (Pultrusion) ساخته می‌شوند، اما گزینه‌های مواد و روش‌های جدید دیگری نیز در حال توسعه هستند.

برای مثال، شرکت We4Ce (آلمِلو، هلند)، تأمین‌کننده فناوری و طراحی تیغه‌های روتور، یک نمونه تیغه روتور ۲.۵ تا ۳ مگاواتی برای شرکت Suzlon Group (پونه، هند) توسعه داده است که در آن از spar cap ساخته‌شده با فیبر کربن خشک و تزریق‌شده با اپوکسی استفاده شده است؛ روشی جایگزین برای پروفیل‌های متداول‌تر ساخته‌شده با پولتروژن.

به گفته‌ی We4Ce، فرآیند تزریق (infusion) باعث توزیع یکنواخت مواد می‌شود که به کاهش خطر ترک‌خوردگی و لایه‌لایه شدن (delamination) کمک کرده و همچنین امکان استفاده از پارچه‌های خشک مقرون‌به‌صرفه‌تر را فراهم می‌کند.

تا ژانویه ۲۰۲۵، شرکت We4Ce گزارش داده است که نمونه تیغه‌ی مذکور، آزمون‌های نهایی اعتبارسنجی جهت دریافت گواهی IEC61400-5:2020 (استاندارد تولید برای یکپارچگی مهندسی تیغه‌های توربین بادی) را با موفقیت پشت سر گذاشته است.

بهینه‌سازی تولید تیغه‌های بادی:
برای افزایش تولید و نصب توربین‌های بادی، بسیاری از شرکت‌ها در حال کار روی فرآیندهای ساخت کارآمدتر برای تیغه‌ها هستند که شامل به‌کارگیری یادگیری ماشینی (Machine Learning) و خودکارسازی (Automation) در خطوط تولید می‌شود.

برای مثال، شرکت TPI Composites Inc. (اسکاتس‌دیل، آریزونا، آمریکا) در سال ۲۰۲۴ اعلام کرد که با دانشگاه تگزاس در دالاس در حال انجام تحقیقاتی است که هدف آن بهینه‌سازی فرایند پخت تیغه‌های بادی می‌باشد. این تحقیق شامل استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشینی مبتنی بر فیزیک (Physics-Informed Machine Learning) است که فرایند پخت را شبیه‌سازی و از طریق کنترل دمای چندمنطقه‌ای بهینه‌سازی می‌کنند.

دکتر شقایق رضازاده، مهندس ارشد TPI، می‌گوید:

«استفاده از این مدل‌ها باعث می‌شود فاصله بین شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی قطعی و سینتیک پخت که در کف کارخانه رخ می‌دهد پر شود. این فرایند از مناطق گرمایشی مختلف در قالب‌های TPI بهره می‌گیرد تا خواص مکانیکی مطلوب را به دست آورد و در عین حال زمان چرخه پخت را بهینه کرده و کیفیت یکنواخت و بهره‌وری بالاتر تیغه‌های تولیدشده توسط TPI را تضمین کند.»

این پروژه که توسط دفتر بهره‌وری انرژی و انرژی‌های تجدیدپذیر (Office of Energy Efficiency & Renewable Energy) تأمین مالی شده است، انتظار می‌رود بنیادی برای تولید هوشمند کامپوزیت‌ها فراهم کند و برای صنایعی که این فناوری‌ها را به‌کار می‌گیرند، مزیت رقابتی در عملکرد و هزینه ایجاد نماید، از نظر صرفه‌جویی در هزینه و بهبود عملکرد.

علاوه بر این، محققان آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در حال توسعه سیستم‌هایی مبتنی بر بازوی رباتیک برای خودکارسازی بخش‌های بیشتری از فرایند تولید تیغه‌های بادی هستند.

اگرچه ربات‌ها تاکنون در صنعت انرژی باد برای رنگ‌آمیزی و صیقل دادن تیغه‌ها به کار گرفته می‌شدند، NREL در حال نشان دادن قابلیت‌های رباتی است که توسط شرکت Orbital Composites (سن‌خوزه، کالیفرنیا، آمریکا) تأمین شده و توانایی انجام عملیات برش، سنگ‌زنی و سنباده‌زنی تیغه‌ها را دارد.

حفاظت در برابر صاعقه (Lightning Strike Protection – LSP):
برای افزایش دوام تیغه‌ها و کاهش هزینه‌های تعمیر و زمان توقف نگهداری، توسعه فناوری‌های موثرتر در حفاظت در برابر صاعقه در حال انجام است.

به‌عنوان مثال، محققان آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) وابسته به وزارت انرژی آمریکا (Tennessee, U.S.) اثربخشی یک تیغه توربین با نوک ۶.۵ فوتی را که از ترکیب الیاف شیشه‌ای و فیبر کربن رسانای سفارشی توسعه‌یافته توسط ORNL ساخته شده، نشان داده‌اند. گفته می‌شود این فیبر کربن نقش کلیدی در پراکندن انرژی الکتریکی در سطح تیغه دارد.

این فیبر همچنین کم‌هزینه طراحی شده است تا جایگزین الیاف شیشه‌ای معمول در نوک تیغه شود، با روش‌های تولید رایج قابل ادغام باشد و به‌طور کامل قابل بازیافت باشد. آزمایشگاه ORNL همچنان در حال پیشبرد این فناوری برای پذیرش تجاری است.

طراحی‌های نوآورانه توربین‌های بادی فراساحلی شناور:
چندین نوع پلتفرم شناور توربین بادی فراساحلی در حال توسعه هستند و مواد کامپوزیتی می‌توانند هم در طراحی پلتفرم‌ها و هم در تیغه‌های توربین جایی که وزن سبک یا خواص خاص مورد نیاز است، به‌کار گرفته شوند.

به‌عنوان مثال، شرکت We4Ce طراحی روتور یک‌تیغه‌ای، شیشه‌ای/اپوکسی، قابل شیب و خودبالابر خود را برای آزمایش بر روی توربین شناور TW6 شرکت TouchWind B.V. (آیندهوون، هلند) ارائه کرده است. این تیغه‌ها برای مقاومت در برابر سرعت باد تا ۲۵۰ کیلومتر در ساعت — بالاترین کلاس باد در استانداردهای صنعت باد — طراحی شده‌اند. نسخه تجاری آینده انتظار می‌رود هزینه بسیار کمتری نسبت به توربین‌های سنتی داشته باشد و در عین حال بازده انرژی بالاتری ارائه کند.

آزمایش مواد زیست‌پایه برای فناوری باد:
در تلاش برای جایگزینی مواد سنتی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی، انواع پلیمرها و الیاف مشتق‌شده از گیاهان یا منابع طبیعی دیگر برای کاربردهای مختلف، از جمله فناوری توربین‌های بادی، توسعه یافته‌اند.

به‌عنوان مثال، NREL تحقیقاتی درباره توسعه یک رزین قابل تولید از زیست‌توده (biomass-derivable) منتشر کرده است که به اختصار PolyEster Covalently Adaptable Network (PECAN) نامیده می‌شود و به‌طور خاص برای تولید تیغه‌های توربین بادی طراحی شده است. گفته می‌شود PECAN از قندها استخراج می‌شود، از طریق فرآیند شیمیایی قابل بازیافت است و عملکرد آن با رزین‌های استاندارد صنعتی برابر است. محققان، قابلیت تولید این رزین را با ساخت یک تیغه نمونه ۹ متری آزمایش کرده‌اند.

در اتحادیه اروپا، پروژه EOLIAN یک پروژه ۳.۵ ساله با چند شریک است که در ژوئن ۲۰۲۴ آغاز شد. هدف این پروژه، توسعه نسل جدیدی از تیغه‌های هوشمند و پایدار توربین بادی با طول عمر طولانی‌تر، قابلیت اطمینان بهبود یافته و پایداری بالاتر است.

تیغه‌های پروژه EOLIAN انتظار می‌رود قابل تعمیر و بازیافت باشند و دارای حسگرهای یکپارچه برای پایش سلامت سازه‌ای (SHM) باشند. این تیغه‌ها از ترکیب رزین‌های ویترینر قابل بازیافت و الیاف طبیعی بازالت به‌عنوان جایگزینی برای الیاف شیشه‌ای بهره می‌برند.

سیستم‌های جایگزین انرژی باد:
شایان ذکر است که علاوه بر توربین‌های سنتی، سیستم‌های انرژی بادی جایگزین نیز در حال توسعه هستند که به آنها سیستم‌های انرژی بادی هوابرد (Airborne Wind Energy – AWE) گفته می‌شود. این سیستم‌ها از بادبادک‌ها یا پهپادهای متصل به یک ایستگاه زمینی استفاده می‌کنند و در الگوهای مارپیچ یا هشت‌شکل حرکت می‌کنند تا انرژی باد در ارتفاعات بالا را جمع‌آوری کنند.

شرکت Composites Technology Laboratory (CTL, گلوی، ایرلند) یکی از شرکت‌هایی است که در زمینه سیستم‌های انرژی بادی هوابرد فعالیت می‌کند، از طریق پروژه Hibernian Airborne Wind energy Kites (HAWK) که توسط سازمان انرژی پایدار ایرلند (SEAI) تأمین مالی می‌شود. در پروژه HAWK، CTL و شرکایش روی چالش‌های توسعه و گواهی‌دهی سیستم‌های AWE کار می‌کنند، از جمله مسائل مربوط به مواد، ایمنی و مقررات محصول، امکان‌سنجی فناوری و توسعه زنجیره‌های تأمین مؤثر.

بازیافت تیغه‌های بادی

تیغه‌های بادی نه‌تنها یکی از اصلی‌ترین کاربردهای مواد کامپوزیتی هستند، بلکه یکی از موضوعات کلیدی در بحث بازیافت نیز به شمار می‌روند. در سال‌های اخیر، استارتاپ‌ها و فناوری‌های متعددی ظهور کرده‌اند تا مسئله چگونگی استفاده از اجزای کامپوزیتی تیغه‌های بادی پس از بازنشستگی آن‌ها را حل کنند.

چند نوع فرآیند بازیافت برای تیغه‌های بادی توسعه یافته است:

• فرآیندهای مکانیکی: شامل خرد کردن تیغه‌ها به قطعات کوچک‌تر برای استفاده در کاربردهای جدید
• سوزاندن و بازیابی انرژی
• روش‌های جداسازی فیبر و رزین: از طریق روش‌های شیمیایی (Solvolysis) یا مبتنی بر حرارت (Pyrolysis یا Thermolysis)

به‌عنوان نمونه‌ای از بازیافت مکانیکی، در سال ۲۰۲۴، شرکت Regen Fiber (فرفاکس، آیووا، آمریکا) یک کارخانه افتتاح کرد که انتظار می‌رود سالانه تا ۳۰,۰۰۰ تن تیغه بادی را پردازش کند. در این فرآیند، تیغه‌ها خرد شده، اجزای قابل استفاده استخراج شده و به محصولات باکیفیت تبدیل می‌شوند که در مصالح ساختمانی مانند بتن به کار می‌روند.

همچنین شرکت Isodan Engineering ApS (هولبی، دانمارک) فناوری خرد کردن کاغذ خود را به راه‌حلی برای خرد کردن و سنگ‌زنی تیغه‌های توربین بادی در کانتینرهای قابل حمل تبدیل کرده است

شرکت Acciona Energía، زیرمجموعه انرژی محور شرکت Acciona (مادرید، اسپانیا)، جوایزی برای فناوری بازیافت مواد کامپوزیتی خود دریافت کرده است، از جمله کارخانه صنعتی بازیافت تیغه‌های بادی در Lumbier، اسپانیا و استفاده از محصولات بازیافت شده در تولید کفش‌های El Ganso x Acciona و تخته‌های موج‌سواری توسط Draft Surf. فرآیند ثبت‌شده WALUE این شرکت شامل ابتدا خرد کردن و سپس عملیات حرارتی است که در نتیجه الیاف و روغن‌هایی به دست می‌آید که برای تولید رزین‌های جدید قابل استفاده هستند.

استارتاپ WindLoop، متشکل از دانشجویان دانشگاه ییل (New Haven، کانکتیکات، آمریکا)، فرایندی با استفاده از اصول شیمی سبز (Green Chemistry) توسعه داده است که به‌طور مؤثر الیاف و رزین تیغه‌ها را جدا می‌کند. راه‌حل WindLoop گفته می‌شود بیش از ۹۰٪ مواد تیغه و ۹۷٪ ارزش کلی تیغه‌ها را بازیابی می‌کند.

علاوه بر این، تلاش‌های تحقیقاتی مشترک متعددی در حال انجام یا تکمیل شده‌اند که هدفشان حل مسئله بازیافت تیغه‌های بادی با روش‌های مختلف است. چند نمونه از این پروژه‌ها عبارتند از:

• Horizon Europe REFRESH: پروژه‌ای ۳.۵ ساله با همکاری ۱۱ عضو اروپایی که از یک پلتفرم ردیابی بلاک‌چین نوآورانه برای پوشش کل زنجیره ارزش از جداسازی تا بازیافت و تولید محصولات نهایی استفاده می‌کند.
• DecomBlades (۲۰۲۱–۲۰۲۳): پروژه‌ای به رهبری شرکای صنعتی و مؤسسات تحقیقاتی که منجر به ایجاد امکانات آزمایشی برای پیرولیز و خرد کردن تیغه‌ها شد و برنامه‌ای برای افزایش مقیاس دارد.
• ZEBRA (Zero wastE Blade ReseArch): پروژه‌ای به رهبری مؤسسه تحقیقاتی فناوری فرانسه (IRT Jules Verne) که بازیافت تیغه‌های کامپوزیتی ترموپلاستیک ساخته‌شده از رزین قابل بازیافت Elium شرکت Arkema (کلن، آلمان) را نشان داده است.
• SusWIND: برنامه همکاری مشترک از سال ۲۰۲۱ توسط مرکز ملی کامپوزیت‌ها (Bristol, UK) برای پیشبرد قابلیت بازیافت تیغه‌های بادی در بریتانیا.
• تیمی از دانشگاه مین (UMaine، اورونو، آمریکا) در سال ۲۰۲۴ پروژه‌ای برای استفاده از تیغه‌های بادی بازیافتی به‌عنوان مواد اولیه چاپ سه‌بعدی آغاز کردند.
• پروژه ECORES WIND با حمایت Horizon Europe، از سپتامبر ۲۰۲۴ آغاز شد تا سیستم‌های رزینی جایگزین توسعه دهد که قابلیت بازیافت، طول عمر طولانی و فرایندهای کارآمد بازنشستگی را فراهم کنند.
• پروژه REWIND، شامل ۱۴ شریک و ۴ ساله که از می ۲۰۲۴ آغاز شده، در حال توسعه فناوری‌هایی برای بازکردن، بازرسی، بازیافت و استفاده مجدد تیغه‌ها است.

همچنین تعداد زیادی شرکت و ابتکار در حال کار روی استفاده مجدد از ساختار کامل تیغه‌های بادی یا قطعات آن‌ها بدون تغییر هستند تا راه‌حل‌های سریع و کم‌مصرف برای تیغه‌های بازنشسته ارائه دهند، در حالی که روش‌های بازیافت دیگر هنوز در حال بلوغ هستند. تا کنون تیغه‌های بادی در ساخت پل‌ها، مبلمان فضای باز و نمای پارکینگ‌ها استفاده شده‌اند.

به‌عنوان مثال، شبکه Re-Wind، سازمانی مشترک بین چند دانشگاه که در سال ۲۰۱۷ تشکیل شد، به یافتن کاربرد برای تیغه‌های بادی بازنشسته اختصاص دارد. یکی از پروژه‌های آن‌ها پل عابر ۵ متری ساخته‌شده از تیغه بادی بود که در سال ۲۰۲۲ در ایرلند نصب شد.

شرکت Canvus Inc. (راکی ریور، اوهایو، آمریکا) با ترکیب قطعات تیغه‌های بادی بازتولیدشده و سایر مواد بازیافتی، مبلمان فضای باز تولید می‌کند که قابل خریداری یا اهدا به جامعه هستند. تمرکز شرکت بر جامعه منجر به همکاری با هنرمندان محلی نیز شده تا طراحی‌های سفارشی روی برخی قطعات مبلمان انجام دهند و آن‌ها را به هنر کاربردی تبدیل کنند.

گروه GP Renewables (هامبورگ، آلمان) علاوه بر مبلمان فضای باز، پل‌ها و محصولات دیگری مانند بلوک‌های ژئوتکنیکی برای استفاده در ساخت و ساز تولید می‌کند.

موارد استفاده آینده نیز در حال توسعه هستند، از جمله نمای پارکینگ در لوند، سوئد که قرار است از تیغه‌های بادی بازنشسته برای عناصر غیرسازه‌ای استفاده شود.

همزمان با توسعه و افزایش مقیاس فناوری‌های بازیافت، تولیدکنندگان تیغه‌های بادی و OEMها نیز در حال تلاش برای ساخت تیغه‌های جدید قابل بازیافت‌تر هستند.

شرکت Siemens Gamesa (زامودیو، اسپانیا) اعلام کرده که هدفش تولید تیغه‌های بادی ۱۰۰٪ قابل بازیافت تا سال ۲۰۴۰ است. در سال ۲۰۲۱، این شرکت RecyclableBlade نخستین خود را معرفی کرد که از رزینی استفاده می‌کرد که امکان بازیابی هم رزین و هم فیبر در پایان عمر تیغه (EOL) از طریق فرآیند سولولیز (solvolysis) را فراهم می‌کرد. در سال ۲۰۲۲، Siemens Gamesa شراکتی با تأمین‌کننده رزین Swancor (Nantou، تایوان) برای تأمین رزین اپوکسی EzCiclo اعلام کرد که گفته می‌شود امکان بازیابی فیبر و رزین را نیز از طریق فرآیند سولولیز تخصصی فراهم می‌کند. این همکاری در سال ۲۰۲۴ به‌صورت رسمی تثبیت شد و اعلام شد که تا سال ۲۰۲۶ تمامی رزین‌های تأمین‌شده توسط Swancor برای Siemens Gamesa قابل بازیافت خواهند بود.

ر ژانویه ۲۰۲۵، شرکت Swancor یک یادداشت تفاهم (MOU) با شرکت Adani New Industries Ltd. (گجرات، هند) امضا کرد، با هدف تأمین رزین EzCiclo برای ساخت اولین مزرعه بادی «کاملاً قابل بازیافت» هند.

توربین VX175 که اوایل سال ۲۰۲۵ معرفی شد و انتظار می‌رود در همان سال به‌صورت تجاری عرضه شود، گفته می‌شود کاملاً قابل بازیافت است. این توربین که به‌طور ویژه برای سقف‌های تجاری و صنعتی طراحی شده، محصول شرکت‌های Ventum Dynamics (استاوانگر، نروژ) و ExoTechnologies (داگلاس، جزیره من، بریتانیا) است و از مواد کامپوزیتی ترموپلاستیک تقویت‌شده با الیاف طبیعی «Danu» ساخته شده که گفته می‌شود قابل بازیافت است.

امروزه نمونه‌های متعددی از استفاده از کامپوزیت‌ها برای کاهش وزن پنل‌های خورشیدی وجود دارد که برخی از آن‌ها همچنین شامل مواد بازیافتی نیز هستند. به‌عنوان مثال، تولیدکننده پنل‌های خورشیدی Solarge (ویرت، هلند) و تولیدکننده مواد ساندویچ کندویی (Honeycomb) EconCore (لوون، هلند) در سال ۲۰۲۳ یک پنل خورشیدی سبک و کاملاً بازیافتی مبتنی بر کامپوزیت و ساختار کندویی معرفی کردند که گفته می‌شود وزن نصب پنل‌های خورشیدی بر روی سقف‌ها را تا ۶۵٪ کاهش می‌دهد.

خلاصه و یکپارچه:

بازار و فناوری مواد کامپوزیتی در صنایع انرژی (۲۰۲۵)

با وجود چالش‌های سیاسی و زنجیره تأمین، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و هسته‌ای همچنان در حال رشد است. مواد کامپوزیتی نقش مهمی در فناوری‌های انرژی کنونی و آینده در بخش‌های مختلف ایفا می‌کنند.

آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) در گزارش «بررسی جهانی انرژی» خود اعلام کرده است که تقاضای جهانی انرژی در سال ۲۰۲۴ به میزان ۲.۲٪ رشد داشته است، تقریباً دو برابر میانگین نرخ رشد دهه گذشته. این افزایش ناشی از تقاضای بیشتر برای برق سیستم‌های سرمایشی، صنعت، برق‌رسانی حمل‌ونقل و مراکز داده هوش مصنوعی بوده است. ۸۰٪ از رشد تولید برق جهانی در همان سال از منابع تجدیدپذیر و انرژی هسته‌ای تأمین شده و برای اولین بار این منابع ۴۰٪ از کل تولید برق جهان را تشکیل داده‌اند.

کاربرد مواد کامپوزیتی در انرژی

بسیاری از فناوری‌های تولید انرژی و برق با استفاده از مواد کامپوزیتی امکان‌پذیر شده‌اند. این مواد در طراحی توربین‌های بادی، پلتفرم‌های فراساحلی و تیغه‌ها نقش دارند و فناوری‌های نوین آن‌ها همواره در حال توسعه است.

در آگوست ۲۰۲۴، شرکت MingYang Smart Energy در چین نخستین توربین بادی فراساحلی ۱۸–۲۰ مگاواتی خود را نصب کرد و پیش‌بینی می‌شود سالانه ۸۰ میلیون کیلووات‌ساعت برق تولید کند. شرکت Hengshen نیز تأمین‌کننده انحصاری الیاف کربن تیغه‌های ۱۴۳ متری MySE292 است. در اروپا، شرکت Siemens Gamesa یک توربین ۲۱ مگاواتی در دانمارک نصب کرده و مدل V236-15.0MW از Vestas بیش از ۶ گیگاوات سفارش قطعی جهانی دریافت کرده است.

تیغه‌های زمینی نیز در حال بزرگ‌تر شدن هستند؛ برای نمونه، شرکت چینی Sany Renewable Energy تیغه‌ای ۱۳۱ متری تولید کرده که در توربین‌های ۱۰ تا ۱۵ مگاواتی به کار می‌رود. این تیغه‌ها از الیاف شیشه‌ای پیش‌دوخت، spar cap کامپوزیت فیبر کربن، تزریق خودکار و قطعات پلی‌یورتان ساخته شده‌اند تا دوام و قابلیت بازیافت افزایش یابد.

نوآوری در فرآیندهای تولید تیغه

تولیدکنندگان تیغه‌ها در حال بهبود فرآیندهای ساخت و پخت هستند. شرکت TPI Composites با دانشگاه تگزاس در دالاس همکاری می‌کند تا با الگوریتم‌های یادگیری ماشینی مبتنی بر فیزیک زمان چرخه پخت را بهینه کرده و کیفیت تیغه‌ها را افزایش دهد. همچنین، NREL سیستم‌های رباتیک خودکار را برای برش، سنگ‌زنی و سنباده‌زنی تیغه‌ها توسعه داده است.

حفاظت در برابر صاعقه (LSP) نیز با استفاده از فیبر کربن رسانای سفارشی بهبود یافته که هم مقاوم، کم‌هزینه و قابل بازیافت است.

توربین‌های بادی شناور و انرژی هوابرد

شرکت We4Ce تیغه‌ای یک‌تیغه‌ای و خودبالابر برای توربین‌های شناور TW6 ارائه کرده است که تا سرعت باد ۲۵۰ کیلومتر/ساعت مقاوم است و بازده بالاتر و هزینه کمتر نسبت به توربین‌های سنتی دارد.

همچنین، سیستم‌های Airborne Wind Energy (AWE) با استفاده از بادبادک‌ها یا پهپادهای متصل به زمین انرژی باد در ارتفاع بالا را جمع‌آوری می‌کنند. شرکت CTL پروژه HAWK را برای توسعه و گواهی‌دهی این سیستم‌ها هدایت می‌کند.

بازیافت تیغه‌های بادی

تیغه‌های بادی نه‌تنها از اصلی‌ترین کاربردهای کامپوزیت‌ها هستند، بلکه موضوعی کلیدی در بازیافت محسوب می‌شوند. فرآیندهای بازیافت شامل:

• مکانیکی: خرد کردن تیغه‌ها برای استفاده در کاربردهای جدید
• شیمیایی یا حرارتی: جداسازی فیبر و رزین
• سوزاندن و بازیابی انرژی

نمونه‌ها شامل:

• Regen Fiber در آمریکا با ظرفیت ۳۰,۰۰۰ تن تیغه در سال
• Isodan Engineering با کانتینرهای قابل حمل برای خرد کردن تیغه‌ها
• Acciona Energía با فرآیند WALUE و استفاده در کفش و تخته موج‌سواری
• WindLoop با بازیابی بیش از ۹۰٪ مواد تیغه و ۹۷٪ ارزش آن‌ها

پروژه‌های تحقیقاتی اروپایی و جهانی شامل REFRESH، DecomBlades، ZEBRA، SusWIND، UMaine 3D، ECORES WIND و REWIND در حال توسعه فناوری‌های نوین بازیافت و استفاده مجدد هستند.

همچنین، تیغه‌های بازنشسته در پل‌ها، مبلمان فضای باز، نمای پارکینگ‌ها و پروژه‌هایی مانند شبکه Re-Wind مورد استفاده خلاقانه قرار گرفته‌اند. شرکت Canvus Inc. و گروه GP Renewables نیز مبلمان و پل‌های ساخته شده از تیغه‌ها را ارائه می‌دهند.

تیغه‌های قابل بازیافت آینده

شرکت Siemens Gamesa هدف دارد تا سال ۲۰۴۰ تیغه‌های ۱۰۰٪ قابل بازیافت تولید کند. فناوری RecyclableBlade و همکاری با Swancor برای رزین‌های EzCiclo امکان بازیابی فیبر و رزین را فراهم می‌کند. پروژه‌هایی در هند و اروپا، مانند اولین مزرعه بادی کاملاً قابل بازیافت هند و توربین VX175، از مواد کامپوزیتی ترموپلاستیک تقویت‌شده با الیاف طبیعی Danu بهره می‌برند.

استفاده از کامپوزیت‌ها در انرژی خورشیدی

نمونه‌های متعددی از استفاده کامپوزیت‌ها برای کاهش وزن پنل‌های خورشیدی وجود دارد. برای مثال، شرکت‌های Solarge و EconCore در سال ۲۰۲۳ پنل‌های سبک و کاملاً بازیافتی مبتنی بر ساختار کندویی عرضه کردند که وزن نصب پنل‌ها بر سقف‌ها را تا ۶۵٪ کاهش می‌دهد.