La durabilité est au cœur de l’ingénierie des éoliennes. Les pales géantes sont fortement exposées aux intempéries et doivent résister à tout ce que la nature peut leur infliger pendant des décennies; mais lorsque leur durée d’utilisation opérationnelle arrive à son terme, cette robustesse devient un problème.
Envoyer les pales dans des décharges prend énormément d’espace et gaspille des matériaux qui pourraient être utiles s’ils étaient extraits et réutilisés. Le problème, c’est que les pales d’éoliennes sont si durables que leur démantèlement et leur recyclage présentent des défis importants. Dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue Chem Circularity de Cell Press, des chercheurs présentent une nouvelle approche qui pourrait surmonter ces défis.
En chauffant rapidement les déchets de pales d’éolienne par de brèves impulsions d’énergie, les auteurs les ont décomposés en carbure de silicium et en graphène, deux matériaux de fabrication précieux qui peuvent être utilisés pour améliorer les propriétés mécaniques et thermiques des nouvelles pales. Et par rapport aux techniques de recyclage actuelles telles que la dissolution chimique et la récupération de chaleur, cette nouvelle approche permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre de 92 % et 83 %, respectivement.
« Elle peut être utilisée pour revaloriser des déchets de faible valeur en déchets de grande valeur », a déclaré Hao Bi, ingénieur environnemental à l’Université Tsinghua de Pékin, à Gizmodo.
Les pales continuent de tourner
Les pales des éoliennes sont habituellement constituées de fibre de verre, qui contient de la silice, et d’une résine polymère riche en carbone. Lorsque ces matériaux atteignent des températures extrêmes, le carbone peut réagir avec la silice pour former le carbure de silicium, un composé extrêmement dur et résistant à la chaleur. Les atomes de carbone peuvent également s’organiser en une maille plate semblable à un nid-d’abeille appelée graphène, prisée pour sa résistance et sa capacité à conduire la chaleur et l’électricité.
Pour extraire ces matériaux des déchets issus des pales, Bi et ses collègues ont utilisé une technique appelée chauffage Joule flash. Il l’explique comme une « impulsion électrique à haute intensité appliquée à des matériaux conducteurs pour élever leur température à 2 000 degrés Celsius [3 632 degrés Fahrenheit], voire plus, en quelques millisecondes ».
Le chauffage Joule flash a déjà été utilisé pour convertir des déchets plastiques et des déchets biomasses en graphène et d’autres carbones à nanostructure, et il s’est avéré efficace pour extraire des matériaux utiles à partir des déchets de pales d’éolienne aussi.
Les chercheurs ont d’abord créé un mélange de déchets de pales pulvérisés et de carbone élémentaire presque pur, puis ont soumis le mélange au chauffage Joule flash lors de plusieurs expériences. Une expérience typique a converti environ 56 % du mélange en un composite carbure de silicium et graphène constitué de 34 % de carbure de silicium et 66 % de graphène.
En ajoutant une faible quantité de ces produits — seulement 0,3 % en poids — à une résine, celle-ci devient plus rigide et plus résistante, améliorant sa résistance à la déformation de 27 % sous tension et 9 % lorsqu’elle est pliée. À 0,1 % en poids, la diffusivité thermique de la résine — une mesure de la rapidité avec laquelle la chaleur se propage dans un matériau — augmente de 41 %.
Ainsi, le carbure de silicium et le graphène extraits des pales d’éoliennes retirées pourraient être utilisés pour fabriquer de nouvelles pales encore plus durables, mais la mise à l’échelle de ce procédé présente un défi tout à fait nouveau.
Prochaine étape : la mise à l’échelle
Bi et ses collègues n’ont pu tester que de petites quantités du mélange déchets de pales et de carbone. Le plus grand échantillon pesait seulement 10 grammes — bien en dessous d’une échelle de traitement pratiquement pertinente.
Son équipe a déjà conçu et construit un réacteur à plus grande échelle capable de traiter un lot de 200 grammes, mais il nécessite encore des optimisations. En particulier, Bi a souligné la nécessité de garantir que ce nouveau réacteur puisse chauffer le matériau de manière uniforme et produire une qualité de produit constante.
« Je décrirais ce travail comme une preuve de concept prometteuse avec des résultats initiaux de montée en échelle, mais il est difficile de prévoir quand cela pourrait servir une véritable ferme éolienne », a-t-il déclaré.
À l’échelle commerciale, les chercheurs estiment que leur approche de recyclage des pales pourrait être rentable d’environ 80 dollars par tonne de matériau de pale, en raison de la grande valeur du carbure de silicium et du graphène récupérés. Les méthodes de recyclage conventionnelles obligent les opérateurs des parcs éoliens à payer le traitement des déchets. La pyrolyse coûte environ 460 dollars par tonne, tandis que la dissolution chimique coûte environ 1 800 dollars par tonne, selon Bi.
Cela contribuerait à favoriser un système de fabrication de pales d’éoliennes en boucle fermée, rendant cette source d’énergie renouvelable critique plus durable. Mais là encore, le chemin vers la mise à l’échelle reste long.
