Tuulivoimaloiden kierrätys

Tämä kirjoitus on osa Poimulehti-teemalehteä, jonka Helsingin Maan ystävät julkaisi keväällä 2021. Lehden artikkelit julkaistaan myös tässä blogissa viikon välein. Lehden kirjoitukset eivät edusta Maan ystävät ry:n virallista näkemystä.

Tuulisähkö on tärkeä rakennuspalikka ilmastonmuutoksen torjunnassa. Tuuliturbiineja pystytetään kiihtyvää tahtia, mutta samalla edessä on jäteongelma.

Hiilineutraali kiertotalous

Energian tuottaminen ihmiskäyttöön mahdollisimman vähillä hiilidioksidipäästöillä on tärkeä tekijä ihmisen aiheuttaman ilmastokriisin seurausten torjumisessa. Hallitustenvälinen ilmastonmuutospaneeli IPCC suosittelee erilaisten energiatuotantotapojen yhdistelmiä: uusiutuvaa energiaa, ydinenergiaa, fossiilienergiaa hiilidioksidin talteenotolla ja bioenergiaa. [1, s. 3-14, 23]

Sivuhuomiona: nykyinen ydinvoima ei näytä olevan ilmastonmuutosta torjuva keskeinen ratkaisu. Nykyiset uraanivarannot riittävät nykykäytöllä arviolta 100 vuodeksi. Tällä hetkellä ydinvoiman käyttöaste on 5 % kaikesta primäärienergiasta, eli kaikesta polttoaineiden ja muiden energialähteiden energiasisällöstä. Jos ydinvoiman käyttö kymmenkertaistettaisiin, varannot riittäisivät 10 vuodeksi. Teoriassa meriveden uraani riittäisi kauas tulevaisuuteen, mutta keräysteknologia on vasta tutkimusvaiheessa. [2; 3, s. 6]

Hiilineutraalin energian lisäksi pitää pitkällä aikavälillä siirtyä kiertotalouteen. Maankuoresta ei voi loputtomasti kaivaa esiin materiaaleja, jotka päätyvät suoraan polttoaineeksi tai kierrätyskelvottomiksi tavaroiksi. Tavaroiden käyttöikää ja kierrätettävyyttä pitää parantaa. [4, 5]

Hiilineutraaliin sähköntuotantoon pyrkiessä uusiutuva sähkö, nykyisellään aurinko- ja tuulisähkö, on pitkän aikavälin ratkaisu. Ei kuitenkaan riitä, että energia on uusiutuvaa, vaan myös itse voimalaitosten materiaalien pitäisi olla täysin kierrätettäviä kiertotalouden periaatteiden mukaisesti. Kuinka lähellä olemme täysin uusiutuvan energian ja täydellisen kiertotalouden utopiaa? Jos tämä osoittautuu vaikeaksi, onko sähkö tulevaisuudessa niukempi resurssi, ja mitä se tarkoittaisi? Tämä artikkeli ei tarjoa vastausta kaikkeen, mutta näyttää, millaisia materiaalikysymyksiä tuulisähkössä on, ja mitä on vielä saavuttamatta.

Tuulivoimalan elinkaari

Tuulivoimala ei kestä ikuisesti, koska siinä on liikkuvia osia, jotka joutuvat toimimaan äärimmäisissä sääolosuhteissa. Selvennyksen vuoksi tässä artikkelissa “tuulivoimalalla” tarkoitetaan nykyaikaista suurikokoista tuuliturbiinia. Siinä on noin 100 metriä korkea torni ja vaaka-akselilla pyörivä kolmilapainen roottori, ja se tuottaa sähköä useamman megawatin teholla. Tornin huipulla konehuoneessa on metalliosia, joita kitka kuluttaa: laakereita, vaihteisto ja generaattori. Vaativin osa on roottori, koska sen lapojen täytyy kestää äärimmäisiä sääolosuhteita. Lavat ovat pitkiä, koska turbiinin teho riippuu niiden pyyhkäisypinta-alasta. Tuulen nopeus on suurempi korkeammalla maasta, joten suurin tuulen voima kohdistuu hetkellisesti lavan päähän, kun se pyörähtää osoittamaan kohti taivasta. Toisaalta koko roottorissa on inertiaa: se on suuri rakennelma, joka ei herkästi muuta pyörimisnopeuttaan, mutta tuulenpuuskat voivat kiskoa lapojen kärkiä yhtäkkisesti ja armottomasti. Lavan täytyy silti olla kevyt, koska paino lisää materiaalikustannuksia. Lapojen tuulensuuntainen edestakainen liike roottorin pyöriessä aiheuttaa materiaalin väsymistä: jossakin vaiheessa lapaan alkaa ilmestyä pieniä halkeamia, ja lopulta yli-ikäinen lapa murtuu. Tämän takia yleisin lapojen materiaali on lasikuitu- tai hiilikuituvahvisteinen muovi. [6, 7 s. 14-16, 33, 36, 113, 130]

Lasikuitumuovi on komposiittimateriaali: se on lasisäikeistä valmistettua kudosta, johon on sulatettu kiinni polyesteriä, vinyyliesteriä tai epoksihartsia. Siksi lasikuitumuovin valmistamiseen tarvitaan paljon energiaa. Lapa kannattaisi kierrättää taloudellisestakin näkökulmasta, koska siinä on arvokkaita materiaaleja. Silti tällä hetkellä suurin osa lavoista päätyy kaatopaikalle. Tuulivoima on kehittyvä teollisuudenala, ja siksi ei ole ollut tarvetta rinnakkaiselle teollisuudelle, joka kierrättäisi lasikuitua. Tuuliturbiinin lavat painavat 10 tonnia megawattia (nimellistehoa) kohden. Kun huomioi tuulivoiman rakentamisen viime vuosikymmeninä, vuonna 2020 lapajätettä syntyy noin 50 000 tonnia. Tämän perusteella vuonna 2050 purettavat voimalat tuottavat jo 800 000 tonnia lasi- ja hiilikuitujätettä. [6, 8]

Yksi esimerkki nykyisenkaltaisesta tuuliturbiinista on Vestas-V66. Sen nimellisteho on 1,75 MW, roottorin halkaisija 60 m ja tornin korkeus 60 m. Terästä siinä on 155 t, alumiinia 3,6 t, kuparia 3,6 t, hiekkaa 3,8 t, muovia 5,7 t, öljytuotteita 2 t, muita materiaaleja 1,5 t ja betonia 547 t. [9] Tuulivoimala tuottaa rakentamiseen vaadittavan energian alle vuodessa; elinkaaren ajalta energiantuotanto on 40-80 kertaa rakentamisen verran [9 s. 57, 10 s. 2105].

Eräs kiertotalouden idea on suunnitella laitteet siten, että kaikki osat ovat vaihdettavissa. Korjattavuus varaosien kautta on perinteinen idea. Lisäksi laite voidaan tehdä pitkäikäiseksi suunnittelemalla se päivitettäväksi: uudempaa teknologiaa edustava osa voidaan liittää jo käytössä olevaan laitteeseen. [11] Tuulivoimalan tapauksessa uudempi teknologia voisi olla kevyemmät lavat tai tehokkaampi generaattori, joka lisäisi voimalan tuotantoa merkittävästi. Tällöin tuulipuiston nykyisten turbiinien päivitys voisi olla sekä kustannustehokkaampi että ympäristön kannalta parempi ratkaisu kuin rakentaa uusia turbiineja nykyisten viereen.

Kierrätyksen nykytila ja reitit

Kierrättäminen on melko uusi asia tuulivoimateollisuudessa. Tätä artikkelia varten tutkittiin kymmentä suurinta megawattiluokan tuuliturbiinien valmistajaa [12]. Kolmen valmistajan verkkosivut käsittelevät aihetta yksityiskohtaisesti. Vestas ja Nordex SE ovat teettäneet riippumattoman elinkaarianalyysin ISO 14040- ja 14044-standardien mukaan. Näissä on ilmoitettu rakennusmateriaalien määrä turbiinia kohden ja CO₂-ekvivalenttipäästöt tonneissa tuotettua kilowattituntia kohden [13, 14]. Vestaksen turbiineista voidaan kierrättää tällä hetkellä 80–90 prosenttia. Vestas väittää, että heidän turbiininsa metallirunko ja jopa betoninen perusta voidaan kierrättää, mutta navasta ja lavoista kierrätettävää on 44 %. Esimerkiksi 4,2 MW:n turbiinissa on 50 tonnia kierrätyskelvotonta materiaalia: pinnoitteita, lasi- tai hiilikuitua, liimaa ja kumia. Näistäkin 75 % tulee lavoista. [15] Siemens Gamesa on tehnyt oman elinkaariarvion kasvihuonekaasupäästöille tuotettua kilowattituntia kohden. Heidän turbiiniensa teräsosat ja magneetit ovat kierrätettäviä. Lasikuitulavat voidaan silputa ja polttaa, mistä saadaan lämpöä ja raaka-ainetta sementin valmistukseen. [16]

Tutkimus lasi- ja hiilikuitumuovin kierrättämiseksi on lisääntynyt kolmen viime vuosikymmenen ajan. Lasikuitumuovi on sinänsä laajalti käytetty materiaali myös veneissä, lentokoneissa ja elektroniikan piirilevyissä, joten ongelma ei ole yksin tuulivoimateollisuuden. Periaatteessa pääkierrätysreittejä on kolme: mekaaninen käsittely, lämpökäsittely ja kemiallinen erittely. Mekaanisessa käsittelyssä lasikuitumuovi jauhetaan millimetrikoon rakeiksi. Saman vaikutuksen tekee korkeajännitteinen sähköpurkaus. Lopputulosta voisi käyttää täyte- tai vahvisteaineena rakennusmateriaaleissa, mutta rakennusteollisuudella on halvempiakin vaihtoehtoja. [17]

Lämpökäsittely tarkoittaa yksinkertaisimmillaan jätteenpolttoa. Lasikuitumuovista palaa muovi ja jäljelle jää pienempi määrä lasipitoista tuhkaa, joka päätyy kaatopaikalle. Kiertotalouteen sopii paremmin kuivatislaus (pyrolyysi), jossa muovi höyrystetään irti lasista hapettomissa olosuhteissa. Toinen vaihtoehto on solvolyysi, jossa muovi liuotetaan alkoholilla tai vedellä. Kumpikaan edellämainituista nesteistä ei ole ympäristölle vaarallista verrattuna esimerkiksi liuotinbensiiniin, ja ne todella toimivat liuottimina, jos ne ovat niin sanotussa superkriittisessä tilassa. Aineen superkriittinen tila saavutetaan riittävän korkeassa paineessa ja lämpötilassa, jolloin sillä ei ole erillistä neste- ja kaasuolomuotoa; se tunkeutuu kiinteään aineeseen helposti kuin kaasu ja liuottaa ainetta kuin vesi. Leijupetierottelussa (fluidized bed process) kuuma ilma kulkee hiekan ja lasikuitumuovimurskan läpi. [17, 18]

Perinteisessä kemiallisessa käsittelyssä painottuu lämpötilan sijasta voimakas happo, emäs tai liuotin, ja siksi sillä onkin raskaat ympäristövaikutukset. Edistyneemmissä menetelmissä hyödynnetään näiden sijasta alkoholia ja sähkökemiaa. Kierrätysvaihtoehtoja kartoittaneet Goparlaj ja Kärki [17] arvioivat tärkeimmiksi tulevaisuuden mahdollisuuksiksi useampivaiheisen kierrätysketjun. Ensin tehtäisiin esikäsittely mekaanisella murskauksella tai korkeajännitteisellä sähkömurskauksella. Tämän jälkeen tehtäisiin erottelu pyrolyysillä, leijupedillä tai superkriittisellä vedellä. [17]

Yhteenvetona voidaan todeta, että tuulivoimaloiden lapojen kierrättämisessä on vielä kehitettävää. Materiaaleina lasi- ja kuitumuovi ovat kevyitä, lujia ja säänkestäviä, ja siksi myös vaikeasti kierrätettävä. Lasikuitumuovin päätyminen kaatopaikalle – jätteenpolton kautta tai ilman – ei ole ekologisesti kestävää. Tarve kierrätykselle kasvaa koko ajan, ja lisääntyvä tutkimus tuo toivoa, että siitä syntyy oma teollisuudenalansa.

Lisäys 23.6.2021. Suomessa Conenor kierrättää tuulivoimaloiden lapoja rakennusmateriaaleiksi, jotka vastaavat lautoja ja puupaneeleja. Niinikään Tanskassa Vestas on aloittanut tutkimusyhteistyön taloudellisesti kannattavaksi lapojen kierrättämiseksi.

Lähteet

[1] IPCC. Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Toim. Core Writing Team, R.K. Pachauri ja L.A. Meyer. Geneva, Switzerland: IPCC, 2014.

[2] Jungseung Kim, Costas Tsouris, Richard T. Mayes, Yatsandra Oyola, Tomonori Saito, Christopher J. Janke, Sheng Dai, Eric Schneider ja Darshan Sachde. Recovery of Uranium from Seawater: A Review of Current Status and Future Research Needs. Separation Science and Technology 48.3 (2013), s. 367–387.

[3] IEA. Key World Energy Statistics 2019. Paris, France, 2019. Viitattu 14.3.2020.

[4] Sitra. Kiertotalous. Viitattu 30.5.2020.

[5] Ympäristöministeriö. Kiertotalous. 2020. Viitattu 30.5.2020.

[6] Brian Hayman, Jakob Wedel-Heinen ja Povl Brøndsted. Materials Challenges in Present and Future Wind Energy. MRS Bulletin 33 (2008), s. 343–353. https://doi.org/10.1557/mrs2008.70

[7] A. R. Jha. Wind Turbine Technology. Taylor & Francis Group, 2010. ISBN 978-1-4398-1507-6.

[8] Pu Liu ja Claire Y. Barlow. Wind turbine blade waste in 2050. Waste Management 64 (2017) 229-240. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.02.007

[9] Yuh-Ming Lee ja Yun-Ern Tzeng. Development and Life-Cycle Inventory Analysis of Wind Energy in Taiwan. Journal of Energy Engineering 2008, 134(2): 53-57. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9402(2008)134:2(53)

[10] Brice Tremeac ja Francis Meunier. Life cycle analysis of 4.5 MW and 250 W wind turbines. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 13, Issue 8, October 2009, s. 2104-2110. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.01.001

[11] Felipe Pasquali, Hailie Suk, Sara Behdad ja John Hall. Method for design life of energy system components based on Levelized Cost of Energy. Journal of Cleaner Production 268 (2020) 121971. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121971

[12] Greg Zimmerman. 2019. Top 10 Wind Turbine Manufacturers — Wind Supplier Analysis. Viitattu 14.7.2020.

[13] Sphera Solutions. Life Cycle Assessment of a Nordex Wind Farm with Delta4000 Turbines. 2020. Viitattu 14.7.2020.

[14] Vestas. Sustainability at Vestas. Viitattu 14.7.2020.

[15] Lisa Ekstrand. Zero-waste turbines by 2040. Vestas, 2020. Viitattu 14.7.2020.

[16] Siemens Gamesa. Environmental Product Declaration SG 8.0-167 DD. Viitattu 14.7.2020.

[17] Sankar Karuppannan Gopalraj ja Timo Kärki. 2020. A review on the recycling of waste carbon fibre/glass fibre-reinforced composites: fibre recovery, properties and life-cycle analysis. SN Applied Sciences 2, 433 (2020).

[18] Wikipedia. n.d. Supercritical fluid. Viitattu 20.8.2020.

Poimulehti 3

Sisältö