风能：面临哪些挑战以及石墨烯如何应对这些挑战？

自20世纪90年代初以来，风力涡轮机，这些将风能转化为电能的现代风车，越来越多地出现在我们的景观中。

作为能源转型的一部分，风力涡轮机市场正在不断增长，以提供更环保的能源并控制对环境的影响。据Ademe称，这种能源将是其整个生命周期中污染最少的能源之一。

然而，该行业面临着一定的困难，特别是某些风力涡轮机部件的使用寿命和回收利用。Carbon Waters进行了盘点。

风力涡轮机带来显着的环境效益

如果风电场数量成倍增加，例如在法国，其发电量占总发电量的近10% ，这显然是为了发展可再生能源。无论是陆上还是海上，一台2兆瓦风力涡轮机每年平均发电4200兆瓦时，相当于法国约800个家庭的平均用电量。

此外，根据国际能源署（IEA）的数据，风能有助于大幅减少CO₂排放。2020年，风力发电避免了近1.7亿吨温室气体的排放。

与核能或天然气等其他类型的能源生产不同，这种能源可以在不污染环境的情况下发电，从而保护动植物群。

风电行业存在的问题

尽管具有所有这些优势并且该行业蓬勃发展，但它仍然受到两个与组件寿命终止直接相关的困难的困扰：

• 叶片的可回收性：目前使用的复合材料（环氧树脂或聚酯树脂中混合的玻璃纤维和碳纤维）不可回收
• 用于海上风力涡轮机的复合材料的脆弱性

关于第一点，制造商（西门子能源、阿科玛）正在致力于生产用于海上风力涡轮机叶片的可回收树脂。西门子歌美飒 (Siemens Gamesa)是西门子能源集团旗下专注于风力发电的子公司，已经通过其RecyclableBlade系列提供解决方案。然而，对于陆上风力涡轮机来说，问题似乎更加复杂，该风力涡轮机由两部分组成，其胶接会在可回收性方面造成问题。

关于海上设备复合材料的脆弱性，当前发生的事件直接证明了这一点。最近，西门子歌美飒遭受了非常重大的财务损失。原因是技术问题，主要是叶片存在质量缺陷，导致断裂。全球第二大风力发电机制造商宣布，15%至30%的风电场将受到影响，即超过30GW的风力发电机，损失近30亿美元。该集团股价在股市也下跌超过30%。

石墨烯作为增强风力涡轮机并延长其使用寿命的解决方案

为了克服海上风力涡轮机的质量问题（顾名思义，海上风力涡轮机要承受恶劣的条件），可以采用解决方案来保持构成风力涡轮机的材料的完整性。

为了增强由复合材料制成的风力涡轮机叶片的强度，同时提供极大的重量，石墨烯是理想的材料。

美国凯斯西储大学的一项研究证明了碳在这两方面的有效性。用碳纳米管增强的叶片的强度是传统叶片的8倍，而且重量轻得多，从而可以减轻涡轮机的负载。

对于海上设备，还必须考虑防腐因素。同样，石墨烯凭借其出色的阻隔性能，有助于保护材料免受氧化。

以添加剂形式，它可以在风力涡轮机叶片的制造过程中直接融入树脂中。材料受到更好的保护，使用寿命更长。这些解决方案集成到风力涡轮机的复合材料中，可以减少某些风电场的更新，从而显着节省维护费用。

Graph’Up：基于石墨烯的高性能添加剂，适用于风能领域

经过与聚合物和复合材料专业制造商合作多年的开发，Carbon Waters开发了一系列基于石墨烯的高性能添加剂，可以直接应对这些挑战。

因此，在这个专用的Graph’Up系列上进行的测试突显了热固性聚合物（环氧树脂）的机械性能的显着改善，包括在低浓度下：

• 牵引力和抗变形能力+30%
• 刚性+50%
• +30°C耐温性（更多信息请垂询）。

此外，已经与多家欧洲公司启动了资格认证阶段，特别是针对风力发电领域的应用。此外，Carbon Waters还与一家领先的特种聚合物公司启动了研发合作。目标是在非常特殊的聚合物系列中加入这一系列添加剂，以应对风能行业中使用的复合材料可回收性的挑战。