Il ruolo dei polimeri avanzati nel ciclo produttivo dell’energia eolica

Nell’agosto del 2020 si è concretizzato un progetto per l’uso dei polimeri avanzati nella filiera dell’energia rinnovabile. Goldwind, il più grande produttore mondiale di impianti eolici, ha utilizzato la nuova macchina a infusione diretta brevettata da Covestro per realizzare pale di turbina in poliuretano lunghe 64,2 metri.

Per la sua disponibilità su tutto il pianeta, l’energia prodotta dal vento sta diventando la fonte energetica più interessante e promettente. La ricerca tecnologica sta puntando molto sull’eolico sia in termini di investimenti che di soluzioni innovative. L’obiettivo principale è abbattere i costi e migliorare l’efficienza. In poche parole rendere questa energia rinnovabile davvero vantaggiosa rispetto alle risorse energetiche tradizionali. I nuovi materiali polimerici possono dare una spinta decisiva verso la sostenibilità portando l’eolico a costi competitivi per produzione e durata di tutti i suoi componenti.

Pale eoliche realizzate con un nuovo metodo di infusione di resina poliuretanica

Le pale usate nella produzione di energia con il vento sono sottoposte a notevoli stress ambientali e strutturali. Possono essere costruite in alluminio, ma più frequentemente si utilizza il materiale composito costituito da fibra di vetro e resine epossidiche. I laboratori Covestro in collaborazione con gli ingegneri di WINDnovation, esperti di pale eoliche, hanno valutato i vantaggi dell'utilizzo del poliuretano come matrice nei laminati compositi per rotori eolici. Lo scopo della ricerca era finalizzato a definire materiali che davano:

• una maggiore velocità della lama attraverso la corretta combinazione di peso, lunghezza e resistenza meccanica
• tempi e costi di produzione vantaggiosi, con la riduzione della materia prima impiegata e la diminuzione delle durate di infusione e reticolazione.

Questi due aspetti possono influire in maniera determinante sull’indice LCOE (Levelized Cost Of Electricity), che confronta i costi totali di diversi metodi di generazione di energia, e rende l’eolico effettivamente molto vantaggioso sia rispetto alle energie a fonte fossile che ad altre più green.

Materiali polimerici avanzati per pale eoliche di nuova generazione

La resina poliuretanica messa a punto da Covestro è meno viscosa della classica resina epossidica usata nella laminazione dei materiali compositi. Questa caratteristica fisica permette un’infusione più rapida e un’efficiente polimerizzazione. Soprattutto quest’ultimo aspetto offre ulteriori vantaggi perché consente una polimerizzazione quasi completa in meno di quattro ore. Inoltre la pre-polimerizzazione può essere ancora più breve, risparmiando tempo prezioso nella preparazione della laminatura e aumentando la capacità di produzione. Soprattutto nelle pale di grande formato, sempre più richieste dal mercato eolico, abbattere i tempi di produzione significa un notevole risparmio.

Per ottimizzare al massimo l’uso delle nuove resine poliuretaniche, Covestro ha brevettato una macchina per risolvere varie sfide coinvolte nel processo di produzione di grandi pale eoliche. Questa macchina a infusione diretta garantisce:

• un accurato processo sotto vuoto
• importanti volumi di colata e velocità di infusione della resina
• un dosaggio accurato e un’uscita variabile e controllata della pressione nello stampo.

In linea con le innovazioni digitali dell’Industria 4.0, la gestione dei dati in tempo reale assicura un processo di infusione diretta di alta qualità.

Le differenze fra resina poliuretanica e resina epossidica nei materiali compositi

Per valutare gli effettivi miglioramenti rispetto alla tradizionale laminazione, i laboratori Covestro hanno valutato diversi metodi di sostituzione delle resine epossidiche con quelle poliuretaniche.

Già la sostituzione one-to-one ha portato una riduzione dell 1,1% del peso totale del rotore, ma soprattutto sono stati notati notevoli miglioramenti nel problema della delaminazione, che rappresenta uno dei punti di vulnerabilità più importante nei materiali compositi. Inoltre lo studio accurato delle caratteristiche e delle proprietà meccaniche del poliuretano ha portato alla definizione di un design innovativo e al miglioramento delle caratteristiche di resistenza meccanica della lama.

La resina in poliuretano ha permesso di:

• diminuire gli strati di laminazione conservando le caratteristiche di resistenza
• alleggerire del 5% il peso totale della lama
• ridurre i carichi di stress meccanico delle turbine
• ridurre il peso totale del rotore
• consentire grandi misure per produzioni maggiori.

La combinazione della resina polimerica e della macchina a infusione diretta ha disegnato un nuovo orizzonte per l’eolico e la sua sostenibilità e convenienza come energia rinnovabile.

Aumentare la durata agli impianti eolici con i polimeri avanzati

Sia negli impianti a terra ma soprattutto nei parchi offshore, gli impianti eolici devono resistere a condizioni ambientali difficili. Gli agenti atmosferici possono influire drasticamente sulla durata dei materiali e ridurre la convenienza della produzione di energia con il vento.

I materiali polimerici di ultima generazione offrono un’efficace protezione a tutte le componenti degli impianti eolici: rotori, torri e cavi.

Vernici e film poliuretanici protettivi

Per proteggere le superfici degli impianti, si possono usare i film UV di ultima generazione che proteggono dai raggi solari le superfici più esposte come quelle dei rotori. Per le aggressioni causate da vento, pioggia e pulviscolo, Covestro ha definito vernici polimeriche a doppio strato che sono utilizzate con successo da grandi aziende di manutenzione di impianti. Con uno sguardo attento alla sostenibilità si è lavorato per abbreviare i tempi di asciugatura e ridurre in modo considerevole le emissioni di composti organici volatili (COV).

Guaine e raccordi dei cavi in elastomero

Negli impianti eolici i cavi rappresentano un altro punto di vulnerabilità importante. I sistemi in elastomero poliuretanico offrono elevata protezione per le condizioni ambientali estreme a cui sono sottoposti i cavi degli impianti eolici off-shore. Rispetto alle resine plastiche, gli elastomeri avanzati hanno spiccata resistenza agli urti e all'idrolisi e le caratteristiche fisiche complessive del materiale consentono di produrre elastomeri robusti. Uno dei punti critici è dove il cavo si collega alla turbina eolica: il movimento continuo può causarne la rottura nel punto di raccordo. Il limitatore di flessione in elastomero, modellato in forma conica, aumenta la rigidità complessiva del cavo e ne previene l‘eccessiva e continua flessione e lo salvaguarda nel tempo dalla eventuale rottura.

Sostenibilità nei prodotti, nell’energia, nell’azienda

Essere completamente circolari è l’orizzonte economico, produttivo e valoriale che Covestro si è dato. Soprattutto nel momento di crisi che il mondo sta vivendo a livelli globali, la missione dell’industria chimica deve essere quella di accogliere le sfide dell’attuale contesto economico e sociale per disegnare nuove strade. Con la ricerca su materie prime alternative, riciclo innovativo, energie rinnovabili e i progetti condivisi con altri partner, si vuole allineare al concetto dell’economia sostenibile l'intera produzione e anche tutte le sue aree di azione. "Ciò significa che miriamo a stabilire in modo completo il principio di circolarità nella nostra azienda", ha affermato Markus Steilemann, CEO di Covestro.