Circular economy of end-of-life composites from the wind energy sector : from materials properties to cost analysis

As the world’s population exponentially grows, consumption rates and the demand for new products also increase dramatically. As a consequence, a great number of End-of-Life (EoL) products are continuously being disposed of, leading to a number of environmental problems. Responsible EoL treatments, which may include reusing, recycling or remanufacturing products or parts is desirable in dealing with these disposed products. These processes can be beneficial both environmentally and economically. Waste is minimised, while valuable components and materials are recovered. The composite market by volume is dominated by glass fibre reinforced polymers (GFRPs), with an annual production volume in Europe having reached 1.069 Mtons, and a steady growth that in 2015 occurred at a rate of 2.5%. The main involved manufacturing sector for GFRP is the wind energy sector. Wind turbine blades are characterised by an expected lifetime of approximately 20 years. Hence, the amount of blade material waste across Europe is expected to increase significantly in the coming decades and is estimated to reach 50,000 tonnes per year in 2022 and 100,000 tonnes per year in 2034. In the light of the above, the economic impact of the composite sector clearly appears huge and the application of the Circular Economy principles to EoL management of composites is one of the challenges of the modern manufacturing industry. Within this perspective, a comprehensive study on the feasibility of reusing recycled glass fibres from the wind energy sector was performed. Firstly, the two types of recyclate material, kindly provided by Rivierasca S.p.A, were characterized in terms of size and fibre content, and the most suitable was chosen for further compounding. Successively, with the purpose of selecting an adequate matrix material, in terms of processability and mechanical performances, three polymeric thermoset resins were synthesized and characterized. Especially, three styrene-free polymeric binders were employed: respectively an acrylic, an epoxy and a polyurethane one. Subsequently, the epoxy resin was loaded with different concentrations (30,35 and 40 wt. %) of recycled glass fibres. The Halpin-Tsai model was used to predict the mechanical properties of the composite and a comparison was made with the experimental results, obtained through tensile tests performed on the specimens cut from the remanufactured composite. Furthermore, mechanical tests were carried out on the composites currently employed in commercial applications in order to get a reference value for the desired final properties of the remanufactured items. It was proved the possibility to use recycled glass fibres as reinforcement phase in newly developed composite materials. Nevertheless, some limitations regarding the adhesion between the matrix and the fibres and hence regarding the final desired mechanical properties were found and must be overcome.   Finally, through the use of a model, implemented in Python 3.0 and MATLAB, developed by CNR-ITIA, the cost of the recyclate material, in terms of euros per kilogram, was estimated. This required the design of two different scenarios for the collection and dismantling of wind blades, on a European level. The assessed costs were compared with the economic values of virgin glass fibres. The virgin and the recycled fibres showed comparable prices, however, to increase the recycled materials attractiveness to businesses, a further costs reduction is desirable.

Considerando la crescita esponenziale della popolazione mondiale, anche i consumi e la richiesta di prodotti aumentano drasticamente. Di conseguenza, una grande quantità di prodotti a fine ciclo di vita necessita continuamente di smaltimento, con tutti i problemi ambientali che ne derivano. Sono perciò auspicabili trattamenti responsabili di questi prodotti a fine ciclo di vita, quali riuso, riciclo o rigenerazione sia del prodotto intero sia solo di componenti di esso. Inoltre, questi processi possono essere vantaggiosi sia dal punto di vista ambientale sia da quello economico. Infatti, la quantità di rifiuti è minimizzata, mentre, allo stesso tempo, nuovi componenti e materiali sono recuperabili e riutilizzabili. Il mercato dei compositi, in termini di volume prodotto annualmente, è dominato dalle materie plastiche rinforzate con fibra di vetro. Il volume della produzione annuale ha raggiunto le 1.069 megatonneallate, con una crescita stabile che nel 2015 ha superato il 2.5%. Il settore manifatturiero più coinvolto nella produzione di materie plastiche rinforzate con fibra di vetro è il settore dell’energia eolica. Le pale eoliche sono progettate con un’aspettativa di vita di circa vent’anni. Quindi, si prevede che la quantità di pale eoliche a fine ciclo di vita, in Europa, cresca considerevolmente negli anni avvenire. In particolare si stima che questa tocchi le 50,000 tonnelate annuali nel 2022, 100,000 nel 2034. Alla luce di ciò, l’impatto economico del settore dei compositi chiaramente appare enorme e l’impiego dei principi di Economia Circolare applicati alla gestione dei materiali compositi a fine ciclo di vita è una delle sfide che caratterizza il settore industiale moderno. All’interno di questa cornice, è stato svolto uno studio globale riguardante la possibilità di riutilizzare fibre di vetro riciclate dal settore dell’energia eolica. Innanzitutto, i due tipi di materiale riciclato, gentilmente forniti da Rivierasca S.p.A., sono stati caratterizzati in termini di dimensione e contenuto di fibra e il più adatto è stato scelto per realizzare il materiale composito finale. In seguito, con lo scopo di selezionare la matrice più adeguata, in termini di lavorabilità e prestazioni meccaniche, tre resine indurenti sono state sintetizzate e caratterizzate. In particolare tre leganti polimerici privi di stirene sono stati utilizzati: rispettivamente una acrilica, una epossidica e una poliuretanica. Successivamente, la resina epossidica è stata caricata con diverse concentrazioni di fibra di vetro (30, 35 e 40 % in peso). Il modello di Halpin-Tsai è stato usato per predire le proprietà meccanniche del composito finale ed in seguito è stato svolto un confronto fra questi dati e i valori sperimentali, ottenuti attraverso test a trazione eseguiti sui provini ritagliati dai compositi preparati. Inoltre, altre prove mecchaniche sono state eseguite su materiali compositi attualmente impiegati in prodotti commerciali, in modo da ottenere un valore di riferimento per le proprietà che devono caratterizzare il composito finale con fibre di vetro riciclate. È stato quindi provato che si possano riutilizzare fibre di vetro riciclate come fase di rinforzo in nuovi materiali compositi. Tuttavia sono emersi alcuni limiti nell’adesione tra   matrice e fibre e, di conseguenza, anche nelle proprietà meccaniche finali, che devono essere risolti. Inifne, un modello, implementato in Python 3.0 e MATLAB, sviluppato dal CNR-ITIA, è stato utilizzato per stimare il costo del materiale in termini di euro al kilogrammo. Questo ha richiesto l’ideazione di due diversi scenari per la raccolta e lo smantellamento di pale eoliche a livello Europeo. I costi stimati in questo modo sono stati messi a confronto con il costo delle fibre di vetro vergini. I due tipi di fibre, riciclate e nuove, hanno dimostrato di avere costi paragonabili, eppure per aumentare l’interesse del materiale riciclato nei confronti delle aziende, una ulteriore riduzione dei costi sarebbe auspicabile