NREL Inova Produção Sustentável de Pás de Turbina Eólica Usando Manufatura Aditiva

Uma equipe de pesquisadores do National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, Colorado, EUA), liderada pelo engenheiro sênior de tecnologia eólica do NREL Derek Berry, continua a avançar suas técnicas inovadoras para fabricar pás avançadas de turbina eólica ao promover sua combinação de termoplásticos recicláveis e manufatura aditiva (AM). O avanço foi possibilitado por financiamento do Escritório de Manufatura Avançada do Departamento de Energia dos EUA — prêmios projetados para estimular inovação tecnológica, melhorar a produtividade energética da manufatura dos EUA e permitir a manufatura de produtos de ponta.

Hoje, a maioria das pás de turbina eólica de escala utilitária tem o mesmo design de concha: Duas peles de pá de fibra de vidro são unidas com adesivo e usam um ou vários componentes de enrijecimento compósitos chamados teias de cisalhamento, um processo otimizado para eficiência nos últimos 25 anos. No entanto, para tornar pás de turbina eólica mais leves, longas, menos caras e mais eficientes na captura de energia eólica — melhorias críticas para o objetivo de reduzir emissões de gases de efeito estufa em parte aumentando a produção de energia eólica — pesquisadores devem repensar completamente a concha convencional, algo que é o foco principal da equipe do NREL.

Para começar, a equipe do NREL está focando no material da matriz de resina. Designs atuais dependem de sistemas de resina termoendurecível como epóxis, poliésteres e ésteres vinílicos, polímeros que, uma vez curados, entrelaçam como silvas.

"Uma vez que você produz uma pá com um sistema de resina termoendurecível, você não pode reverter o processo", diz Berry. "Isso [também] torna a pá difícil de reciclar."

Trabalhando com o Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tennessee, EUA) na instalação Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET) do NREL, a equipe multi-institucional desenvolveu sistemas que usam termoplásticos, que, ao contrário de materiais termoendurecíveis, podem ser aquecidos para separar os polímeros originais, permitindo reciclabilidade de fim de vida (EOL).

Peças de pá termoplásticas também podem ser unidas usando um processo de soldagem térmica que poderia eliminar a necessidade de adesivos — frequentemente materiais pesados e caros — aprimorando ainda mais a reciclabilidade da pá.

"Com dois componentes de pá termoplásticos, você tem a capacidade de uni-los e, através da aplicação de calor e pressão, juntá-los", diz Berry. "Você não pode fazer isso com materiais termoendurecíveis."

Avançando, o NREL, junto com parceiros do projeto TPI Composites (Scottsdale, Arizona, EUA), Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, EUA), Ingersoll Machine Tools (Rockford, Illinois, EUA), Vanderbilt University (Knoxville) e IACMI, desenvolverá estruturas de núcleo de pá inovadoras para permitir a produção custo-eficiente de pás de alto desempenho, muito longas — bem acima de 100 metros de comprimento — que são relativamente leves.

Usando impressão 3D, a equipe de pesquisa diz que pode produzir os tipos de designs necessários para modernizar pás de turbina com núcleos estruturais net-shape altamente engenheirados de densidades e geometrias variadas entre as peles estruturais da pá da turbina. As peles da pá serão infundidas usando um sistema de resina termoplástica.

Se tiverem sucesso, a equipe reduzirá peso e custo da pá de turbina em 10% (ou mais) e tempo de ciclo de produção em pelo menos 15%.

Além do prêmio principal AMO FOA para estruturas de pá de turbina eólica termoplástica AM, dois subprojetos de bolsa também explorarão técnicas avançadas de manufatura de turbina eólica. A Colorado State University (Fort Collins) lidera um projeto que também usa impressão 3D para fazer compósitos reforçados com fibra para estruturas internas inovadoras de pá eólica, com Owens Corning (Toledo, Ohio, EUA), NREL, Arkema Inc. (King of Prussa, Pensilvânia, EUA) e Vestas Blades America (Brighton, Colorado, EUA) como parceiros. O segundo projeto, liderado pela GE Research (Niskayuna, Nova York, EUA), é chamado AMERICA: Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Parceria com GE Research são Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, EUA), NREL, LM Wind Power (Kolding, Dinamarca) e GE Renewable Energy (Paris, França).