Turning in Circles |
Nutzung des Potenzials der Kreislaufwirtschaft im Betrieb von Windkraftanlagen
| Zeitschrift | Industry 4.0 Science |
| Ausgabe | 40. Jahrgang, 2024, Ausgabe 5, Seite 90-98 |
| Open Access | https://doi.org/10.30844/I4SD.24.5.90 |
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Abstract
Keywords
Artikel
Die steigende Anzahl an installierten Windkraftanlagen geht mit einem Anstieg der abgebauten Anlagen einher, der durch die rasante technologische Entwicklung beschleunigt wird. Dies birgt eine besondere Herausforderung im Zusammenhang mit dem End-of-Life Management der Windkraftanlagen, bietet jedoch gleichzeitig erhebliches Potenzial, um den wachsenden Ressourcenbedarf zu decken. Die nachfolgende Publikation stellt einen nachhaltigen Entscheidungsrahmen für mögliche EoL-Optionen von Windkraftanlagen vor, um den Ressourcenkreislauf zu schließen.
Da 75 % der Treibhausgasemissionen der EU aus der Energienutzung und -erzeugung stammen, stellt die Dekarbonisierung des Energiesektors ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einer klimaneutralen EU dar [1]. Jedoch ist diese mit einem erheblichen Ressourcendruck verbunden, insbesondere im Windenergiesektor, da Windkraftanlagen deutlich höhere Materialkosten aufweisen als andere erneuerbare Energiequellen (EE). Gleichzeitig bietet die Digitale Transformation eine neue Chance, diese Herausforderungen in Angriff zu nehmen. Es bedarf innovativer Lösungen, die Digitalisierung und nachhaltige Entwicklung miteinander vereint, um den steigenden Ressourcenbedarf zu decken und damit die ehrgeizigen Klimaziele der Europäischen Union zu erreichen [2].
Der Ausbau von Windkraftanlagen (WKA) geht mit einer zunehmenden Stilllegungsrate der Anlagen einher, die durch den raschen technologischen Fortschritt im Windenergiesektor beschleunigt wird [3, 4]. Dies stellt eine große Herausforderung im Zusammenhang mit dem End-of-Life Management der WKA dar, da die großen Strukturen mehr als 25.000 Komponenten enthalten und mehrere tausend Tonnen wiegen [5, 6]. Gleichzeitig kann das richtige EoL-Management dazu beitragen, den steigenden Ressourcenbedarf der erneuerbaren Energien zu decken und ihren Ausbau weiter voranzutreiben.
Nach Angaben der Europäischen Umweltagentur [7] wird allein für den Windenergiesektor bis 2030 eine jährliche Material Rückgewinnungsrate von 4,75 Millionen Tonnen prognostiziert. Um dieses Potenzial auszureizen, müssen jedoch noch zahlreiche Hindernisse überwunden werden. Gegenwärtig werden die Rentabilität und die Effektivität der EoL-Praktiken zur Schließung der Kreislaufwirtschaftslücke durch verschiedene Faktoren eingeschränkt, darunter [8]:
- Begrenzte Erfahrung der Stakeholder (z. B. politische Entscheidungsträger, Industrie, Windparkbesitzer) mit EoL-Optionen und den damit verbundenen Herausforderungen und Chancen
- Unzureichende Lebenszyklusdaten für die Bewertung der Umweltauswirkungen (LCA)
Die umfassende Betrachtung wirksamer Strategien und Bewertung ihrer Umweltauswirkungen ist daher entscheidend, um die sich ergebenden Herausforderung zu bewältigen. Daraus ergibt sich die folgende Forschungsfrage: Wie kann ein nachhaltiger Entscheidungsrahmen für das End-of-Life Management von On-Shore Windkraftanlagen entwickelt werden, um den Kreislauf zu schließen? Der Mehrwert dieser Publikation besteht erstens in der Identifikation aktueller Forschungslücken in den Bereichen EoL-Management und Umweltbewertung von Windkraftanlagen. Zweitens in der Zusammenfassung der Ergebnisse, zur Ableitung eines digitalen Entscheidungsfindungsrahmens für die Auswahl von EoL-Strategien von On-Shore Windkraftanlagen.
Daten und Methoden
Die Forschung wurde als Desktop-Studie durchgeführt, um das Potenzial der Kreislaufwirtschaft im Betrieb von Windkraftanlagen, gemäß dem Forschungsziel, zu identifizieren. Die im Rahmen der Literaturrecherche herangezogenen Daten stammen aus der Datenbank Scopus. Schlüsselwörter wie („end of life“ OR „end-of-life“ OR „eol“), („circular economy“ OR „CE“), („concept“ OR „strategy“ OR „option“ OR „method“ OR „model“), („wind“ OR „wind turbine“), („assessment“ OR „evaluation“ OR „selction“) wurden verwendet, was eine Gesamtanzahl von 264 Artikel mit Fokus auf (i) EoL-Praktiken und 94 Artikel mit Fokus auf (ii) Umweltbewertung ergab.
Mithilfe eines dreistufigen Screening-Prozesses (Titel, Abstract, Volltext) wurden insgesamt 32 peer-reviewed Journalpublikationen, Konferenzbeiträge und Berichte anhand der folgenden Auswahlkriterien ausgewählt: (1) Themenrelevanz (EoL-Management von Windkraftanlagen in Mitteleuropa), (2) Aktualität (veröffentlicht innerhalb der letzten (i) 10 oder (ii) 25 Jahre) und (3) Bedeutung (Verweis auf hochwertige Artikel oder etablierte Quellen). Zusätzliche Erkenntnisse wurden durch Experteninterviews mit wichtigen Akteuren des Windenergiesektors entlang der Wertschöpfungskette gewonnen, wie in Bild 1 dargestellt. Um eigene empirische Einblicke in die Zusammensetzung österreichischer Windkraftanlagen zu gewinnen, wurde eine statistische Auswertung auf Basis der österreichischen Windparkdatenbank (The Wind Power) [9] durchgeführt.
Aktuelle Forschungslücken
Angesichts des steigenden Rückbau- und Erneuerungsbedarfs in den kommenden Jahren bietet das richtige EoL-Management von Windkraftanlagen ein erhebliches ökologisches und ökonomisches Potenzial. Insbesondere durch die Nutzung energieeffizienter Kreislaufwirtschaftsoptionen wie dem Reuse, Remanufacturing und Refurbishment können, im Vergleich zu den aktuellen Methoden der Entsorgung (von Beton- und Faserteilen) und des energetischen Recyclings (Metallteile), große Mengen an CO2-Äquivalenten eingespart werden [8, 10]. Um die dargelegten Forschungsziele zu erreichen, bietet der nachfolgende Abschnitt einen Überblick über den aktuellen Wissensstand in den beiden Kerndisziplinen der Forschungsinitiative und zeigt aktuelle Forschungslücken auf. Auf Basis der Scopus-Datenbank wird eine umfassende Literaturrecherche präsentiert, die folgende Themen aufgreift:
- Aktuelle EoL-Management Praktiken von Windkraftanlagen
- Optionen für die Messung der Umweltauswirkungen verschiedener EoL-Strategien
EoL-Managementpraktiken von Windkraftanlagen
Erreicht ein Windpark das Ende seines Lebenszyklus, muss im Rahmen des EoL-Managements der Windkraftanlagen entschieden werden, ob der Betrieb durch Repowering, Life-Time-Extension (LTE) fortgesetzt oder die Anlage stillgelegt werden soll. An diesem Punkt stehen eine Reihe von End-of-Life Optionen zur Auswahl. Traditionell werden die EoL-Optionen in absteigender Reihenfolge, basierend auf der EU-Abfallhierarchie der Europäischen Abfallrahmenrichtlinie (2008/98/EG) und dem daraus abgeleiteten R-Rahmenwerk der Kreislaufwirtschaft angeordnet [11, 13]. In der Windkraftindustrie ist die Einhaltung dieser hierarchischen Struktur zufolge des R-Rahmenwerks (Reuse, Repair, Refurbish, Remanufacture, Repurpose, Recycle, Recover) jedoch derzeit noch abgängig, was auf einen mangelnden Konsens in der Windturbinenforschung bezüglich der Definition möglicher EoL-Optionen zurückzuführen ist [8, 14, 15].
Es mangelt an strukturierten Analysen potenzieller EoL-Strategien für WKA sowohl auf politischer als auch im wissenschaftlicher Ebene [8, 14, 18]. Eine erwähnenswerte Ausnahme stellt Velenturf (2021) dar, die einen Überblick über aktuelle Kreislaufwirtschaftsstrategien von Off-Shore Windkraftanlagen bietet [18]. Die Ergebnisse dieser Arbeit beschränken sich jedoch auf eine ganzheitliche Betrachtung auf der Systemebene der Anlage ohne Berücksichtigung einzelner Komponenten.
Bei der Untersuchung von End-of-Life (EoL) Optionen einzelner Komponenten der Windkraftanlage sind zwei Trends erkennbar. Einerseits wird der Behandlung von Rotorblättern große Aufmerksamkeit in aktueller Forschung und der Politik gewidmet, trotz ihres verhältnismäßig geringen Gewichtsanteils [19, 25]. Andererseits beschäftigt sich die aktuelle Forschung primär mit Recycling, obwohl es sich dabei um eine der am wenigsten bevorzugten Strategien der Kreislaufwirtschaft handelt [10, 14, 25, 27] – ein Ergebnis, das durch die Arbeit von Eligüzel und Özceylan [16] unterstrichen wird.
Zusammenfassend ergibt sich daraus folgende Forschungslücke in den aktuellen EoL-Managementpraktiken von Windkraftanlagen:
Es fehlt an strukturierten Analysen potenzieller EoL-Optionen von einzelnen Windkraftanlagenkomponenten, jenseits der Rotorblätter, die dem Kreislaufwirtschaft-Rahmen folgen und auf hochwertige R-Strategien jenseits des Recyclings abzielen.
Messung der Umweltauswirkungen verschiedener EoL-Strategien
Die Quantifizierung der ökonomischen und ökologischen Auswirkungen unterschiedlicher End-of-Life Optionen ist entscheidend, um wirtschaftlich und ökologisch nachhaltige Entscheidungen zu ermöglichen, die Ressourceneffizienz zu fördern und die gesetzlichen Anforderungen an die Umweltbewertung und das Umweltmanagement zu erfüllen. Zur Quantifizierung dieser Aspekte werden in der Regel Lebenszyklusanalysen (LCA) verwendet [28, 33].
Die traditionelle LCA-Methode hat jedoch verschiedene Einschränkungen:
- Fehlende Anwendung im Kreislaufwirtschaft Kontext [30, 33, 34].
- Zeit- und kostenintensive Implementierung [28, 30, 31]
- Bedarf an umfangreichen Datensätzen und Eingabedaten [28, 31, 35]
Autoren wie Kasner [14], Gennitsaris u. a. [27] und Zhong u. a. [36] verwenden die LCA-Methode zur Quantifizierung der Umweltauswirkungen ausgewählter EoL-Szenarien von WKA-Komponenten oder verwendeten Materialien. In [14] wird die Umwelteffizienz eines 2-MW-Windparks Vestas V90/105 m untersucht, wobei drei EoL-Szenarien erforscht werden: Stilllegung, LTE und Repowering. Es fehlen jedoch detaillierte Unterscheidungen, wie z. B. die Variation verschiedener Stilllegungsoptionen (Reuse, Repurpose, Recycle usw.). Gennitsaris u. a. [27] bewerten die Umweltauswirkungen verschiedener End-of-Life-Szenarien für die Stilllegung einer Vestas V52 Onshore-Windturbine mittels LCA.
Unter Berücksichtigung der bestehenden End-of-Life Behandlungstechnologien für die Materialien der Windkraftanlagen wurden elf Szenarien definiert. Die Szenarien beziehen sich jedoch nicht direkt auf die WKA-Komponenten, sondern auf deren Materialien, und es werden nur eine begrenzte Anzahl von EoL-Optionen berücksichtigt, wobei EoL-Optionen wie das Reuse vernachlässigt werden. In der Arbeit von Zhong u. a. [36] wird die Betrachtung von EoL-Szenarien weiter eingeschränkt und der Fokus ausschließlich auf das Recycling gelegt. Darüber hinaus befassen sich einige Autoren, darunter Ghosh u. a. [37] und Fayyaz u. a. [38], mit der Quantifizierung der Umweltauswirkungen spezifischer End-of-Life Optionen einzelner Komponenten, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf Rotorblättern gelegt wird [37, 38].
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine erhebliche Forschungslücke in der aktuellen Forschungslandschaft in Bezug auf die Quantifizierung der Umweltauswirkungen verschiedener EoL-Strategien von WKA besteht:
Die Ansätze zur Quantifizierung der Umweltauswirkungen, die mit verschiedenen EoL-Strategien für Windkraftanlagen verbunden sind, beschränken sich auf eine begrenzte Auswahl an End-of-Life Optionen, die sich überwiegend auf einen Anlagentyp beziehen und nicht auf die Vielzahl an Komponenten (>25.000) einer Windkraftanlage eingehen.
Empirische Erkenntnisse über die Zusammensetzung der österreichischen Windkraftanlagen
Um empirische Erkenntnisse über die Zusammensetzung der Windkraftanlagen in Bezug auf die Herstellerverteilung, die Anlagentypen und die Größe der Anlagen zu erhalten, wurden statistische Analysen am Beispiel Österreichs durchgeführt.
Die Datenbank enthält Informationen zu 1342 von 1426 Windkraftanlagen, die bis Ende 2023 in Österreich in Betrieb genommen werden. Die österreichische Windindustrie wird in erster Linie von zwei Herstellern dominiert, Enercon und Vestas, die zusammen 84 % der Turbinen ausmachen. Die restlichen 16 % entfallen auf verschiedene Hersteller wie Nordex, Leitwind, GE Energy, Windtec, Siemens und andere. Eine eingehende Untersuchung der Anlagentypen zeigt, dass es in Österreich über 13 verschiedene Modelle von Enercon-Turbinen und 14 verschiedene von Vestas verfügt. Auffällig ist, dass die Enercon E101 mit 307 Installationen und die Vestas V90 mit 127 Installationen als die vorherrschenden Turbinentypen hervortreten (Bild 2).
Betrachtet man die jährlich in Betrieb genommenen Anlagentypen und ihre Abmessungen, so zeigt sich ein anhaltender Trend zu größeren Anlagen. Im Laufe der Jahre hat sich der Rotordurchmesser deutlich vergrößert, von etwa 30 Metern Mitte der 1990er Jahre auf bis zu 162 Meter heute.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die österreichische Windturbinenlandschaft durch eine begrenzte Anzahl an Herstellern und eine kleine Auswahl an Turbinentypen gekennzeichnet ist. Eine Untersuchung von 15 verschiedenen Anlagenmodellen, darunter 6 von Enercon und 9 von Vestas, umfasst 76,4 % (1080 Anlagen) aller Anlagen in Österreich. Darüber hinaus zeigt die Analyse der WKA-Zusammensetzung, dass die Dimensionierung und damit der Materialverbrauch stark vom Rotordurchmesser abhängt, mit einem stetigen Aufwärtstrend, der durch technologische Innovationen und steigende Turbinenleistung getrieben wird [4, 27, 39].
Nachhaltiges Framework zur Entscheidungsfindung
Auf der Grundlage der umfassenden Literaturrecherche, der Experteninterviews und statistischen Analysen wird ein konzeptionelles Modell vorgeschlagen, um die umweltfreundlichste EoL-Option von Windkraftanlagen zu identifizieren und auszuwählen. Der Ansatz kann in drei Phasen unterteilt werden: (1) Produktbeschreibung, (2) EoL-Strategie Auswahl und (3) Umweltbewertung (Bild 3).
Im Kontext des End-of-Life Management komplexer Produktstrukturen, wie Windkraftanlagen, erfordert die Entscheidungsfindung ein tiefes Verständnis des komplexen Designs des Produkts, der Eigenschaften der Komponenten, der Materialzusammensetzung und ihrer Wechselbeziehungen. Daher konzentriert sich die erste Phase des Decision Making Framework auf die Analyse und Beschreibung der Windkraftanlage.
Diese Phase beginnt mit einer Analyse der Konstruktionsarten, Hauptkomponenten und Materialzusammensetzungen des Produkts, um eine umfassende Darstellung der Produktstruktur zu erhalten. Idealerweise dienen Stücklisten (BoM) und Montagezeichnungen als Eingabedaten [40]. Sind diese nicht verfügbar, können die vom Hersteller veröffentlichten LCA-Daten verwendet werden. In Anbetracht der Komplexität einer WKA kann ein erweiterter Ansatz gewählt werden, bei dem eine technologiegestützte Regressionsanalyse verwendet wird, um Komponentenvariationen zu berücksichtigen [41]. Das Regressionsmodell bietet die Möglichkeit, den Materialverbrauch aktueller und zukünftiger WKA vorherzusagen und so die Notwendigkeit zu minimieren, für jede Produktvariante individuelle Stücklisten zu analysieren.
Aufbauend auf den Erkenntnisse der ersten Phase des Decision Making Framework werden in der zweiten Phase verschiedene End-of-Life Alternativen für die Produktkomponenten identifiziert, z. B. durch die Methode der systematischen Literaturrecherche (SLR). Mithilfe eines iterativen Prozesses wird die domänenspezifische Nomenklatur analysiert, um weitere EoL-Strategien aufzudecken, was zu einer Standardisierung der Verfahrensschritte innerhalb jeder Strategie führt [42]. Das Hauptziel dieser Phase ist die systematische Identifikation möglicher Kreislaufwirtschaftsstrategien während des gesamten Produktlebenszyklus.
Abschließend werden die Ergebnisse aus den beiden vorangegangenen Phasen im der dritten Phase integriert, um eine effiziente Quantifizierung der Umweltauswirkungen der einzelnen EoL-Optionen des Produkts und seiner Komponenten zu ermöglichen. Ausgangspunkt hierfür ist die Optimierung des Datenerfassungsprozesses der Ökobilanz unter Verwendung digitaler Technologien wie Künstlicher Intelligenz. Besonderes Augenmerk sollte dabei auf den Übergang der Modellierung einzelner Lebenszyklen (klassische LCA) zu multiplen kreislauforientierte Lebenszyklen (CE-LCA) gelegt werden.
Mit diesem Ansatz wird eine Quantifizierung der Umweltauswirkungen verschiedener End-of-Life Optionen möglich, welche den Entscheidungsträgern die notwendige Datenbasis liefert, um eine fundierte und nachhaltige Entscheidung über das End-of-Life Management von Windkraftanlagen treffen zu können.
Dringende Herausforderung des EoL-Managements im Windenergiesektor
Im Rahmen umfangreicher Forschungsarbeiten wird ein nachhaltiger Entscheidungsrahmen für das EoL-Management von Windkraftanlagen vorgeschlagen. Dieses konzeptionelle Modell leistet einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung des komplexen Entscheidungsprozesses bei der Auswahl von EoL-Strategien im Windenergiesektor. Durch die Kombination von Ansätzen der Kreislaufwirtschaft und digitalen Technologien erfolgt ein erster Schritt in Richtung einer langfristig nachhaltigen Energielandschaft.
Um die praktische Anwendbarkeit des Modells zu gewährleisten, sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, wobei der Schwerpunkt auf der kontinuierlichen Zusammenarbeit unterschiedlicher Stakeholder der Windindustrie liegen sollte. Es bedarf an Fortschritten in der Umweltbewertung, insbesondere im Kontext der Kreislaufwirtschaft, um fundierte EoL-Entscheidungen treffen zu können. Angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Technologie und Industriepraktiken, ist eine kontinuierliche Untersuchung möglicher Kreislaufwirtschaftsstrategien von besonderer Bedeutung.
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