Decarbonizzazione del progetto di decarbonizzazione dell’energia delle maree

Come un progetto da record sull’energia delle maree nell’East River di New York sta aiutando i ricercatori a esplorare nuovi materiali riciclabili per la tecnologia delle energie rinnovabili

Le lame sono tornate e vengono tritate, inzuppate e allungate.

In una giornata grigia e nebbiosa del maggio 2021, una chiatta baciata dalla ruggine trasportava tre turbine di marea delle dimensioni di un capannone, ciascuna montata sui punti di un telaio triangolare in acciaio, attraverso l’East River di New York City. Sebbene le tre turbine sembrassero identiche, una era un doppelganger, costruito con un tipo di resina completamente nuovo che potrebbe aiutare a decarbonizzare anche le tecnologie di energia pulita più sostenibili, come le turbine che sfruttano l’energia delle maree.

“Stiamo decarbonizzando il settore energetico, ma dobbiamo anche decarbonizzare la decarbonizzazione”, ha affermato Robynne Murray, ingegnere ricercatrice presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Le resine sono come la colla. Legano insieme frammenti di altri materiali, come la fibra di vetro, per costruire i resistenti materiali compositi utilizzati in molte pale delle turbine eoliche e delle maree. Ma alcune di queste colle, come la popolare resina epossidica, sono una cosa sola: una volta riscaldate per formare lame solide e durevoli, non possono essere facilmente trasformate e riciclate.

Ma Murray e il suo team hanno progettato un nuovo materiale, chiamato resina termoplastica, che non solo è più facile da riciclare, ma è anche più adatto a sopravvivere all’acqua salata corrosiva dell’East River – o a qualsiasi altro promettente sito di energia delle maree. Ciò significa che la loro nuova resina potrebbe essere vantaggiosa per la decarbonizzazione se il materiale riuscisse a dimostrare il suo potenziale nel mondo reale.

E così è stato.

Per l’implementazione di sei mesi dell’East River nel 2021, NREL ha collaborato con la società di energia delle maree Verdant Power attraverso il suo Roosevelt Island Tidal Energy Project, finanziato dall’Ufficio per le tecnologie per l’energia idrica del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Il dispositivo della Verdant Power, che conteneva tre turbine – due costruite con resina epossidica tradizionale e una con resina termoplastica NREL – ha stabilito un record statunitense per il settore, generando circa 312 megawattora di energia, la seconda quantità più alta prodotta da qualsiasi progetto di energia marina e abbastanza per alimentare circa mille case.

Le pale pionieristiche in materiale composito termoplastico non solo sono sopravvissute al loro utilizzo, ma lo hanno fatto benissimo. Le lame non hanno subito danni strutturali durante il loro dispiegamento, a differenza delle loro controparti epossidiche. E il materiale ha anche conservato tutta la sua forza pre-dispiegamento. Sebbene un problema software abbia impedito al team NREL di salvare alcuni dei dati raccolti dai sensori sulle pale della turbina, tutto l’hardware di raccolta dati, compresi i sensori e il dispositivo utilizzato per archiviare i dati, è sopravvissuto all’aggressiva acqua salata.

“Ogni volta che fai qualcosa per la prima volta, ti aspetti che non andrà alla perfezione, anche se fai del tuo meglio per affrontare tutti i rischi”, ha detto Murray. Ma a parte un problema software dell’ultimo minuto e una pandemia che ha impedito ai membri dell’NREL di recarsi a New York City, il processo è andato meglio del previsto. “È stato decisamente incoraggiante vedere le prestazioni dell’hardware sott’acqua”, ha affermato Murray.

Ma il fiume era solo l’inizio.

Di ritorno in laboratorio, Paul Murdy, Robynne Murray e i membri del team eseguono test per vedere se la loro resina termoplastica riciclabile potrebbe essere un materiale prezioso per le pale delle turbine eoliche e delle maree o altre tecnologie di energia pulita. Foto di Joe DelNero (a sinistra) e Werner Slocum (a destra), entrambi NREL

Ora, nella sede del laboratorio in Colorado, Murray e il team hanno già tagliato le lame termoplastiche dal mozzo e le hanno tagliate in quelli che chiamano coupon, che sono pezzi rettangolari piccoli come francobolli o grandi come riviste. Anche se le lame fossero sopravvissute al fiume, la squadra vuole trovare il loro punto di rottura, letteralmente. Ad esempio, Murray e il suo team intendono fissare dei morsetti su un coupon che tirerà, tirerà e tirerà fino a quando il materiale non si spezzerà. Altri coupon verranno immersi in acqua salata per vedere quanto in profondità l’acqua penetra nel materiale nel tempo e se tale saturazione influisce sulla resistenza del materiale.

“Non sappiamo davvero quanto fossero saturi quando li abbiamo tirati fuori dall’acqua”, ha detto Murray. Normalmente, ha spiegato Murray, la sua squadra avrebbe pesato le lame prima e dopo il dispiegamento per scoprire quanta acqua assorbivano. Ma poiché le pale erano già fissate al pesante mozzo, non potevano ottenere una misurazione accurata del loro peso.

“Il che è un peccato”, ha detto Murray. “Se ci sono cose che vediamo nei risultati dei test, è perché c’erano infiltrazioni d’acqua o è solo un cambiamento naturale che accade ai materiali?”

Questo è ciò che lei e il team stanno cercando di scoprire ora. “Abbiamo davvero bisogno di comprendere appieno le prestazioni del materiale prima di poter decidere se vale la pena provare ad adottarlo come industria”, ha affermato Murray.

E non sta affrontando da sola questa grande questione che altera il settore.

“Ora possiamo svolgere il lavoro investigativo”, ha affermato Paul Murdy, ingegnere meccanico presso NREL e partner di Murray nel tagliare, spezzare e immergere nuovi materiali energetici marini, comprese le lame termoplastiche. Finora il materiale termoplastico ha funzionato bene, ha affermato Murdy. Ora, con la manipolazione dei materiali, possono analizzare esattamente in che modo il materiale differisce da quelli tradizionali, come i compositi epossidici.

Sebbene Murray consideri la termoplastica come un potenziale modo per costruire materiali compositi più sostenibili e riciclabili per le pale delle turbine eoliche e delle maree, riconosce anche che questi materiali potrebbero non essere la scelta migliore per tutte le applicazioni energetiche. I materiali tendono a deformarsi, ovvero potrebbero deformarsi lentamente nel tempo. E, anche se gli esseri umani hanno messo un sacco di cose sott’acqua, c’è ancora molto da imparare su come i materiali più nuovi, come i compositi termoplastici, gestiscono quello che può essere un ambiente faticoso e salato.

Questi test post-implementazione possono aiutare Murray e il suo team, così come le società di energia marina, a comprendere meglio come resistono i materiali termoplastici. E queste informazioni potrebbero aiutare a determinare se sono adatti per le turbine eoliche e mareomotrici o anche per altre tecnologie di energia rinnovabile.

“È un passo nella giusta direzione, verso materiali migliori per l’industria energetica”, ha affermato Murray. “E penso che ci sarà spazio per i materiali termoplastici. È solo una questione di quali strutture si troveranno”.

Lei e altri esperti di materiali presso NREL stanno esplorando anche altre opzioni, come una resina epossidica riciclabile che può essere di origine vegetale e potrebbe competere con i prodotti a base di petrolio.

“I materiali di oggi sono all’altezza della sfida in termini di prestazioni strutturali”, ha affermato Murray. “Ma sono tipicamente derivati ​​da combustibili fossili e non riciclabili. Quindi, che si tratti di materiali termoplastici o di un altro materiale riciclabile che decollerà in futuro, è importante la provenienza dei nostri materiali”.

Scopri di più sui nuovi materiali di NREL e sul loro ruolo nella decarbonizzazione. E dai un’occhiata al Composites Manufacturing Education and Technology Facility di NREL, dove vengono realizzati molti di questi materiali.

Di Caitlin McDermott-Murphy, articolo da NREL