Pesquisa analisa a reutilização estrutural de produtos compósitos de última geração, considerando pás de turbinas eólicas

Os materiais compósitos, em particular os polímeros reforçados com fibras, apresentam um desafio quando chegam ao fim de sua vida útil. Os processos de reciclagem atuais são incapazes de capturar a qualidade do material de alta qualidade, desafiando assim, como discutido na pesquisa de Joustra, Flipsen e Balkenende (2021), seu (re)uso em uma economia circular.

Estes tipos de materiais compósitos são materiais que fornecem muitas propriedades vantajosas para uso nos projetos de produtos. A alta relação rigidez/peso e a liberdade de formas permitem designs leves e estruturas grandes com formas complexas. Este tipo de material é encontrado principalmente em aplicações onde a economia de peso ou o design estrutural eficiente trazem uma vantagem. Por exemplo, projetos leves reduzem o consumo de combustível ou aumentam a capacidade de carga útil em aplicações aeroespaciais e automotivas.

Considerado na pesquisa, o setor de energia eólica é um dos maiores consumidores de materiais compósitos, sendo que em 2017, por exemplo, totalizou cerca de 150.000 toneladas usadas somente na Europa. Considerando o crescimento do mercado, o descomissionamento anual de pás de turbinas eólicas deve chegar a 2 megatoneladas até 2050.

O projeto de materiais compósitos está atualmente otimizado para desempenho mecânico na fase de uso. Esse foco, combinado com a natureza complexa e heterogênea dos materiais, leva ao processamento problemático no final da vida útil (EoL – End of Life). Em particular, no caso de Plásticos Reforçados com Fibra de Vidro (GFRP), que dominam o mercado de compósitos, nenhuma rota de reciclagem clara está disponível, embora existam várias opções.

No geral, atualmente pouca capacidade de reprocessamento está disponível e o valor de reciclagem não compensa os custos. Consequentemente, a maioria dos resíduos destes materiais é depositada em aterro ou incinerada. A reutilização estrutural, às vezes referida como “reciclagem estrutural”, apresenta-se como uma solução alternativa promissora para estes tipos de produtos quando atingem seu fim de vida útil, prolongando sua vida útil e potencialmente substituindo o uso de materiais virgens. Preserva a integridade estrutural do compósito e requer relativamente pouco esforço de reprocessamento.

No entanto, verificam Joustra, Flipsen e Balkenende (2021), ainda falta uma reflexão sobre as consequências relacionadas ao projeto inicial de compósitos. Como discutido no estudo, desenvolver produtos já pensando em evitar futura geração de resíduos e manter os produtos e materiais em uso com o maior valor possível são os princípios fundamentais de uma economia circular.

Tendo em vista os aspectos citados, os pesquisadores buscaram investigar o efeito do projeto original de materiais compósitos na recuperação e reutilização, considerando o caso das pás de turbinas eólicas. Um projeto feito com material recuperado de uma pá desativada foi desenvolvido como estudo de caso. Uma mesa de piquenique foi escolhida como exemplo, por essas mesas serem normalmente feitas de elementos de construção padronizados.

Essa prática forneceu dados valiosos sobre design, fabricação e recuperação, bem como dados sobre a aceitação social dos materiais de construção resultantes. Foram obtidos insights sobre como os produtos compósitos podem ser projetados para facilitar a recuperação de elementos estruturais. A aplicabilidade desses insights foi avaliada com especialistas da área de fabricação de pás de turbinas eólicas. Isso resultou na identificação de aspectos de design que permitem vários ciclos de vida do material compósito como painéis de construção, se considerados durante o projeto inicial do produto.

O projeto para ciclos múltiplos de uso foi reconhecido como pré-requisito para a incorporação bem-sucedida da reutilização estrutural no design. As oportunidades de reutilização estrutural são afetadas pela forma, materiais e estrutura do produto original. Portanto, a antecipação de ciclos múltiplos de uso é necessária na fase inicial de projeto e resultará em critérios adicionais para a formulação do produto original. Quando se trata de reutilização da perspectiva de elementos de construção em vez de produtos totalmente funcionais, a necessidade de especificações detalhadas do produto é substituída por dimensões, propriedades e tolerâncias básicas para os elementos a serem recuperados.

O conceito de reaproveitamento estrutural visa a produção de grandes séries de placas e vigas de construção padronizados. A mesa de piquenique é apenas um exemplo das muitas aplicações de produtos que podem ser visualizadas para a reutilização estrutural de placas de materiais compósitos. Outras aplicações possíveis podem ser encontradas na arquitetura (fachadas, telhados), infraestrutura (pontes), e também no transporte (por exemplo, pisos em barcaças e caminhões).

Para avaliar a aceitação e o valor percebido dos materiais reutilizados estruturalmente, o protótipo desenvolvido foi colocado em uma exposição de design. A exposição atraiu cerca de 25.000 visitantes. Recursos específicos da pá, como curvatura do painel e imperfeições visíveis através do compósito GFRP (polímeros reforçados com fibra de vidro) transparente, passaram inicialmente despercebidos pela maioria dos visitantes. Quando questionados, esses recursos contribuíram para aspectos como valor percebido. Frequentemente, os visitantes expressaram seu interesse, perguntaram o preço de venda e sugeriram outras áreas de aplicação potenciais para o material. No geral, os visitantes apreciaram a reutilização das pás da turbina eólica e trataram o material reutilizado estruturalmente e a aplicação secundária como valiosos.

O presente estudo verificou que o projeto atual das pás dos aerogeradores não leva em conta o reaproveitamento estrutural, embora o potencial dessa estratégia de recuperação seja reconhecido e demonstrado em aplicações pontuais. Os materiais utilizados com valiosas propriedades mecânicas e estéticas foram recuperados com relativo pouco esforço de processamento, sendo que na fabricação do protótipo físico, o corte por jato de água proporcionou alta precisão de corte, embora a qualidade das bordas pode ser melhorada.

Apesar da alta precisão, novas abordagens de segmentação precisam ser empregadas para lidar com as variações de curvatura e espessura induzidas pelo projeto original. No geral, também concluem os autores, é aconselhável levar em consideração o próximo ciclo de uso na fase de projeto. Os insights apresentados no artigo permitem que os projetistas contribuam para o estabelecimento de uma economia circular para produtos compósitos.