一、前言

依據歐洲風能協會(WindEurope)、歐洲化學工業理事會(European Chemical Industry Council, Cefic)與歐洲複合材料工業協會(European Composites Industry Association, EuCIA)的統計結果顯示，歐洲年度離岸與陸域風力發電總安裝量與累積容量皆穩健成長，並估計2023年歐洲約有2GW約4,700台老舊風機完全退役，屆時將有多達14,000支約荷重4萬到6萬噸的葉片面臨回收問題，如圖一。

而目前風機的整體回收率約為85-90%，大多數零組件，包含：基座、支撐塔架與機艙內部零件，皆已在實務上建立成熟的回收機制。但傳統風機葉片由玻璃纖維和碳纖維製成，為熱固性複合材料(thermoset composite)，雖有利於生產更輕更長的葉片，並具有耐熱、抗腐蝕與耐壓等優點，但回收再利用不易，環境衝擊將成為風電產業價值鏈的一大隱憂。此外，根據國際能源總署(International Energy Agency, IEA)所出版之2019年離岸風電展望(Offshore Wind Outlook 2019)[1]報告指出渦輪機的葉輪直徑已從2010年的90m(3MW)增加到2016年的164m(8MW)，預計2021年將達到220 m，即艾菲爾鐵塔高度的80%，這更是大幅增加回收的難度。

為此，風電產業依循歐盟廢棄物處置指令(The European Waste Framework Directive)，從產品生命週期中葉片設計、製造、運作及除役等階段導入循環經濟的方法，依優先順序為預防、再利用、活化、循環再造、回收到最終處理(如圖二) 。以預防的觀點強調從葉片設計上改良，著重優化材料及提升製程技術的方式落實廢棄物管理，再藉由提高重複再利用的方式，達到減少材料的浪費或是降低最終廢棄物掩埋比例，以減緩對環境的衝擊。

二、循環經濟下的葉片技術創新

在循環經濟的發展趨勢下，針對葉片材質與設計方向進行整體生命週期評估，其材料的選擇將面對包含優化剛度(stiffness optimization)、疲勞壽命、故障預測與輕量化等的挑戰。此外也須考量價格、製程能力與材料特性，及適應嚴峻環境地理位置與未來風機葉片尺寸加長趨勢的能力。期望藉由循環經濟的發展來減少葉片整體生命週期對環境造成的影響，因此在葉片技術創新的發展方向如下：

(一)製程設計
以精確控制複合材料的固化過程(curing processes)，優化建模流程。
(二)製程技術
1. 導入自動化製程，以確保材料製程的穩定度與強化製造技術。
2. 因碳纖維在回收上比玻璃纖維複合材料更具經濟價值，故導入此複合材料，可強化基材之機械性質。
(三)創新材料
1. 基材的創新
(1) 開發具增加延展性及抗疲勞性的樹脂與纖維之創新複合材料，以延長生命週期。
(2) 新開發一種具有更佳的機械特性，且難熔化的熱塑性樹脂(infusible   thermoplastic resins)，並可在模具內聚合成形而非先熔融後加工，以達到降低成本的目的。
(3) 以生質廢物利用率高的優勢，開發高性能的生質樹脂，以提高原材料供應的多元性及減少碳足跡。
(4) 研發新一代3R(意即符合：減少浪費(Reduce)、再使用(Reuse)與可回收(Recycle)之3R原則)熱固性樹脂之複合材料，使其具備更容易再加工、修復和回收的特性。
2. 塗層的創新
(1) 導入奈米材料作為增強劑和塗料，並確保在延長生命週期下，不會衍生更複雜的回收方式。
(2) 積極研究纖維結構，進一步結合高性能玻璃纖維、碳纖維或奈米纖維，以做為複合增強材料，使長形葉片更容易製造，以利提高轉換效率。
(3) 研發高耐用塗料來增強耐腐蝕性，例如：凝膠塗料、防蝕塗裝系統與自體修復塗層，以延長生命週期。

三、回收再製技術創新發展趨勢

目前葉片材料回收循環再造的主要技術分為六種(如下)，每項技術原理與發展的技術的成熟度( Technology Readiness Level, TRL(0低-9高))與優劣勢各自不同，雖然多數替代技術都尚未達到工業應用規模或具備成本競爭力(如圖三)，但隨著技術創新，在未來或許將有潛力走向更多元的技術選項，以下分別概述。

(一)水泥窯體協同處理技術(cement co-processing)
以製造水泥的高溫窯體協同處理複合材料的廢棄物，其中複合基材廢棄物可成為水泥製造過程中窯體升溫的替代化石燃料，而燃燒後的玻璃纖維爐渣則成為水泥熟料(cement clinker)的一部分再利用，以減少水泥生產的碳足跡。儘管在成本效益與效率方面，水泥窯體協同處理技術是最成熟(TRL9)的回收技術，但玻璃纖維會在此過程中失去原有的物理形狀，而無法再用於其他複合材料應用中，因此以循環經濟觀點其創造的回收價值偏低。

(二)機械研磨(Mechanical grinding)
以機械設備進行研磨，是一種最常用的技術，該技術的優點為效率佳、低成本和低能耗。研磨後回收的短纖維與已磨碎的基材粉末，則可再利用做為增強材料或填料(filler)，但因處理後的纖維已降低其機械性質，若再應用於熱固性複合材中，填料的添加量則必須小於10%；若應用於熱塑性複合材料的增強材料中，成分重組與樹脂微粒將造成的潛在汙染，進而對製造速度與品質產生負面影響，雖可利用分離和拆卸過程降低影響程度，但亦因此大大減少回收的價值。

(三)高溫裂解(pyrolysis)
高溫裂解是一種熱循環過程，可回收灰分(ash)形式的纖維材料，以及碳氫化合物產物(hydrocarbon products)形式的聚合物基材(polymer matrix)。雖然處理過後的材料會變成粉末或油，可做為塑膠加工之添加劑和填充劑，但纖維表面亦因高溫破壞，導致機械性質下降，進而減少經濟價值。目前該技術需要高額的投資和營運成本，因此較適用於碳纖維複合材料的回收。

(四)高壓脈衝碎裂法(High voltage pulse fragmentation)
此技術是使用電力有效地進行基材與纖維分離的過程，但只有短纖維能在流程中被回收，若要分離出品質更好的纖維則需增加耗能與提高的運轉速度。雖以高壓脈衝放電碎裂法會比機械研磨的方式，獲得品質更佳、纖維更長與更乾淨的纖維材料，但目前尚處在實驗室與前導性質規模(pilot-scale)的應用階段。

(五)溶劑分解(Solvolysis)
是一種化學處理過程，利用溶劑(例如：水、酒精和/或酸)在特定溫度和壓力下破壞基材結構，進而分離樹脂與纖維。相較於高溫裂解技術，溶劑分解法需要較低的溫度降解樹脂，因此可減少纖維被破壞。目前具有前景的相關技術是超臨界水溶劑分解(Solvolysis with supercritical water)，該技術可成功回收纖維和樹脂，且對材料的機械性質沒有重大影響。但過程中需依溶劑種類耗費能量以維持特定的溫度及壓力，加上消耗大量溶劑，故投資與營運成本高昂且技術成熟度相對較低(TRL 5/6)，目前僅應用於碳纖維複合材料的回收。

(六)流體床(Fluidized bed)
是一種以加熱氣體在流體床反應器內產生的旋轉，將纖維與基材分離，剩餘廢料經過二次燃燒後可回收熱能的方法。其技術特質在於能處理混合材料，例如：塗裝的表面或芯材(Foam cores)，因此特別適用於處理生命週期結束後的葉片廢料，但纖維被破壞的程度高於溶劑分解/高溫裂解法，且回收過程中會造成溫室氣體的排放，其技術成熟度約在5/6。

四、小結

台灣在積極推廣再生能源發展下，訂定於2025年達成再生能源發電占總發電量20%的政策目標，預計離岸風力裝置容量將達5.7GW以上。目前風力發電整體回收率約為85-90%，其中鋼鐵、銅線、電機及齒輪組皆可回收再利用，唯獨玻璃纖維複合材料的葉片其材料特性、體積龐大且重量重，導致回收及再利用之成本及難度增加。因此，未來可建立以循環經濟為導向的回收機制，發展符合台灣的低回收成本及高價值鏈的新模式。

[1] IEA(2019), Offshore Wind Outlook 2019. https://outlook.stpi.narl.org.tw/index/search