Tổng quan về những “cối xay gió thành điện”

Để ngăn chặn thảm họa biến đổi khí hậu do đốt nhiên liệu hóa thạch, nhiều chính phủ và tập đoàn đã cam kết chỉ sử dụng năng lượng sạch vào năm 2050. Năng lượng gió là một trong những phương thức kinh tế nhất để đạt được mục tiêu đó. Điện sinh ra từ các turbine làm quay máy phát điện. Các mô hình hiện đại xuất hiện sau lệnh cấm vận dầu mỏ của các nước Arab năm 1973, khi tình trạng thiếu hụt buộc các chính phủ phương Tây phải tìm các giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Trang trại điện gió đầu tiên ở Mỹ được lắp đặt ở New Hampshire vào năm 1980, và California đã triển khai hàng nghìn turbine gió ở phía đông San Francisco qua đèo Altamont.

Cùng với điện mặt trời, những “cánh đồng điện gió” ngày càng phổ biến. Ảnh: Dreamstime

Hệ thống điện gió có turbine chuyển đổi động năng (chuyển động) từ gió thành cơ năng. Khi các cánh của turbine quay, chúng quay máy phát điện và tạo ra điện. Quá trình này diễn ra mà không có nhiên liệu hóa thạch, không có khí thải, không có hạt vật chất gây ô nhiễm không khí, chỉ là năng lượng gió tạo ra chi phí thấp hơn đáng kể so với các dạng điện khác. Các turbine gió có thể được lắp đặt trên bờ hoặc ngoài khơi, thậm chí là tại nhà nếu có không gian và điều kiện thích hợp. Ở Mỹ, hầu hết các turbine gió cao khoảng 50m, mặc dù một số turbine hiện nay thậm chí còn có cánh dài hơn và tháp cao hơn, có thế dài tới 80m.

Cánh quạt điện gió được cấu tạo từ một loại vật liệu composite nhẹ, bền. Ảnh: Financial Times

Không có gì là mãi mãi. Những bộ phận của các hệ thống điện gió cũng có niên hạn sử dụng. Hiệp hội điện gió của Liên minh châu Âu WindEurope ước tính rằng khoảng 14.000 cánh quạt sẽ ngừng hoạt động ở “lục địa già” vào năm 2023. Những turbinee điện gió có tuổi thọ hoạt động khoảng 25 năm và sau đó, một số thành phần trên turbinee có thể được thay thế hoặc tái chế. Những vật liệu này bao gồm thép, dây đồng, các thiết bị điện tử khác cùng các bộ phận khác.

Một phần của “nghĩa địa” cánh quạt điện gió nhìn từ trên cao ở thành phố Casper, bang Wyoming, Mỹ. Ảnh: Getty Images

Các chuyên gia dự đoán rằng, hơn 720.000 tấn cánh quạt gió khổng lồ sẽ được đưa vào các bãi chôn lấp của Mỹ trong 20 năm tới. Một nghiên cứu năm 2017 của Đại học Cambridge cho thấy, hầu hết các cánh quạt gió kết thúc vòng đời tại các bãi chôn lấp vì chúng khó tái chế.

Cánh quạt gió có thể được tái chế không?

Các cánh turbine gió được chế tạo bằng cách nung hỗn hợp thủy tinh hoặc sợi carbon và nhựa epoxy dính, kết hợp các vật liệu, tạo ra một vật liệu composite nhẹ, bền. Tuy nhiên điều này cũng đồng nghĩa với việc khó tách các vật liệu ban đầu để tái chế.

Tái chế các thành phần của hệ thống điện gió đang là đòi hỏi cấp thiết đối với các nước. Ảnh: NPR

Được chế tạo để chịu được gió bão, các cánh quạt gió không thể dễ dàng bị nghiền nát, tái chế hoặc thay thế. Khi các cánh quạt này ngừng hoạt động, cách làm hiện nay là đưa thẳng chúng ra bãi rác, lò đốt hoặc kho chứa. Bãi rác Casper Regional Landfill ở thành phố Casper, bang Wyoming, Mỹ trở thành “nghĩa địa” của 870 cánh turbinee gió đã hết hạn sử dụng. Các mảnh vỡ này trông giống như xương cá voi đã tẩy trắng được xếp san sát vào nhau. Cánh của turbine gió có thể dài hơn cánh của chiếc máy bay Boeing 747, vì vậy khi hết tuổi thọ, chúng không thể bị kéo đi. Đầu tiên, họ cần phải sử dụng cưa công nghiệp nạm kim cương để cắt phần cánh quạt turbine gió ra ba mảnh đủ nhỏ để buộc vào một xe đầu kéo.

Một khu vui chơi cho trẻ em được hình thành từ các phần của cánh quạt điện gió hết hạn sử dụng. Ảnh: BBC

Năng lượng gió không chứa carbon, các thành phần trong hệ thống turbine chiếm khoảng 85% là thép, dây đồng, thiết bị điện tử và bánh răng có thể được tái chế hoặc tái sử dụng. Tại Liên minh châu Âu, nơi quy định chặt chẽ về việc chôn lấp các vật liệu hết hạn sử dụng, một số cánh quạt gió được đốt trong các lò nung tạo ra xi măng hoặc trong các nhà máy điện. Nhưng hàm lượng năng lượng của chúng yếu và không đồng đều, đồng thời quá trình sợi thủy tinh cháy cũng thải ra chất gây ô nhiễm môi trường.

Tái chế cánh turbine gió

Tất nhiên, ý tưởng tái chế các cánh turbine gió không phải là mới. Khoảng một thập kỷ trước, một công ty đối tác của Đức đã nghĩ ra cách tái chế các cánh turbine gió thành nguyên liệu đồng xử lý cho xi măng. Vì vậy, trong khi nhiều báo cáo khẳng định rằng cánh turbine chỉ có thể tái chế 85%, quy trình cơ học này từ lâu đã cho phép tỷ lệ tái chế 100%. Hơn nữa, việc tái chế các cánh quạt theo cách trên giúp giảm lượng khí thải CO2 liên quan đến sản xuất xi măng thông thường.

Tập đoàn General Electric (GE) của Mỹ cũng đang tham gia vào cuộc đua tái chế. Vào năm 2020, công ty con của nó là GE Renewable Energy đã công bố một thỏa thuận kéo dài nhiều năm với chi nhánh Bắc Mỹ của công ty xử lý chất thải của Pháp Veolia (Veolia Bắc Mỹ) về chương trình tái chế cánh turbine gió. Theo đó, các cánh quạt sẽ được cắt nhỏ và sử dụng để sản xuất xi măng, GE lưu ý rằng các quy trình như vậy đã đạt quy mô thương mại ở châu Âu.

Nhiều công nghệ mới đang được nghiên cứu, áp dụng để sản xuất các hệ thống điện gió vừa bảo đảm chất lượng, vừa dễ tái chế hơn. Ảnh: Offshore Wind

Vào tháng 1-2021, một dự án kéo dài ba năm do công ty điện gió LM thuộc sở hữu của GE đã tập trung vào các công nghệ nhằm xử lý hiệu quả các số lượng lớn cánh quạt turbine sắp ngừng hoạt động trong tương lai.

Các công nghệ mới hơn bao gồm quá trình hòa tan và nhiệt phân cũng đã được phát triển để tạo ra những phương thức bổ sung để xử lý các cánh quạt cấu tạo từ sợi thủy tinh sau khi hết hạn. Công ty giải pháp sợi thủy tinh toàn cầu Global Fiberglass Solutions có trụ sở tại Mỹ đã sử dụng các cánh quạt turbine để tạo tấm EcoPoly, với tính năng kết nối sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể (RFID). Global Fiberglass Solutions dự kiến ​​có thể xử lý khoảng 6.000 đến 7.000 cánh turbine hằng năm tại các cơ sở ở Texas và Iowa.

Mặt khác, các nhà nghiên cứu từ Mỹ, Ireland và Bắc Ireland đã hợp tác nhằm đưa ra các phương thức tái sử dụng cánh quạt gió đã hết hạn, làm thành phần cho các cấu trúc đường dây điện, tháp, mái nhà và thậm chí cho các cây cầu dành cho người đi bộ.

Trong một dự án thử nghiệm vào năm ngoái, Veolia Bắc Mỹ đã thử nghiền nát các turbine gió này và tìm kiếm hóa chất để chiết xuất. Global Fiberglass Solutions cũng đã phát triển một phương pháp chia nhỏ cánh quạt gió và ép chúng thành các viên và tấm sợi để sử dụng cho sàn và tường. Công ty này bắt đầu sản xuất các mẫu thử tại một nhà máy ở Sweetwater, Texas, gần nơi tập trung các trang trại gió lớn nhất xứ cờ hoa.

Giám đốc điều hành Don Lilly Global Fiberglass Solutions cho biết: “Chúng tôi có thể xử lý tới 99,9% cánh quạt turbine gió và xử lý khoảng 6.000 đến 7.000 cánh quạt mỗi năm. Hiện công ty đã tích lũy được một kho dự trữ các cánh quạt turbine gió và sẵn sàng cắt nhỏ và tái chế khi nhu cầu tăng lên. “Các cánh turbine gió kết thúc vòng đời hoạt động của chúng an toàn tại các bãi rác, không giống như chất thải từ một số nguồn năng lượng khác.

Tại bang Iowa, công ty quản lý chất thải Waste Management Inc. đã hợp tác chặt chẽ với các doanh nghiệp năng lượng tái tạo để đưa ra giải pháp xử lý, tái chế và tiêu hủy cánh quạt turbine gió. Công ty sẽ xử lý tất cả các cánh quạt, với khoảng 10 xe tải mỗi ngày chở chúng đến bãi rác Lake Mills của mình.

Xây dựng các turbine gió chất lượng tốt hơn

Do những khó khăn vốn có trong việc tái chế sợi thủy tinh, cũng ý kiến cho rằng có thể tạo ra các turbine gió với chất liệu dễ tái chế vào cuối vòng đời. Ví dụ, cánh quạt làm bằng nhựa nhiệt dẻo có thể được ưu tiên hơn so với sợi carbon hoặc sợi thủy tinh, vì nó rẻ hơn và dễ dàng tái chế hơn.

Công ty sản xuất turbine gió lớn nhất trên thế giới Vestas Wind Systems A/S của Đan Mạch từng cam kết cho ra sản phẩm không chất thải vào năm 2040. Cụ thể, vào giữa năm 2021, công ty trên công bố một công nghệ mới, cho phép tái chế hoàn toàn các cánh turbine gió. Công nghệ này tách thủy tinh hoặc sợi carbon khỏi nhựa, sau đó nhựa được tách thêm thành vật liệu cơ bản có thể được sử dụng trong chế tạo các cánh turbine mới. Công nghệ trên được phát triển thông qua sự hợp tác giữa Vestas Wind Systems A/S, Đại học Aarhus của Đan Mạch, nhà sản xuất hóa chất Olin (OLN.N) và Viện Công nghệ Đan Mạch. Dự án nhằm mở rộng quy mô công nghệ để đáp ứng nhu cầu tái chế trong vòng ba năm và cũng có tiềm năng cho phép tái chế các bộ phận máy bay hay ô tô.

Rác thải điện gió hiện vẫn là một mối lo ngại trên toàn thế giới và các giải pháp cũng đã được đưa ra đối với việc xử lý các cánh turbine gió đã hết hạn sử dụng. Để tháo gỡ vấn đề, việc cần làm đó là biến các dự án tái chế này thành các dịch vụ phổ biến rộng rãi.

Tại Việt Nam, vấn đề này cũng đang được lưu tâm, khi mà phát triển năng lượng tái tạo, trong đó có điện gió, đang được đẩy mạnh. Triển vọng về khoa học công nghệ trong việc xử lý rác thải điện gió và ngành công nghiệp xử lý rác thải điện gió đang được hình thành trên thế giới sẽ sẽ giúp Việt Nam giải được bài toán này trong tương lai.