Circular economy value chains for decommisioned wind turbine blades

Vindmøllevinger er store komplekse konstruktioner, fremstillet af en blanding af materialer. De består hovedsageligt af glasfiberkompositmaterialer, som er svære at genbruge eller genanvende i en cirkulær økonomi.Derfor er vingerne indtil nu hovedsageligt blevet deponeret, når de harudtjent deres levetid, hvilket ikke er bæredygtigt og medfører tab af ressourcer. Nye systemer og værdikæder skal således designes og implementeres til udtjente vindmøllevinger i overensstemmelse med principperne for cirkulær økonomi. Samtidig er operationaliseringen af cirkulærøkonomi sparsomt beskrevet i akademisk litteratur.

Formålet med denne ph.d.-afhandling er derfor at besvare forskningsspørgsmålet: Hvordan kan værdikæder for udtjente vindmøllevingerdesignes, driftes og industrialiseres i overensstemmelse med encirkulær økonomi? Dette spørgsmål understøttes af et antal mål og firedelforskningsspørgsmål. Delforskningsspørgsmålene er: 1) Hvorfor eksisterer cirkulære værdikæder til udtjente vindmøllevinger ikke i dag? 2)Hvilke værdikæderuter er potentielle løsninger for udtjente vindmøllevinger, og hvilke teknologier og processer indgår i designet af disse løsninger? 3) Hvordan kan fuldt fungerende værdikæder for udtjente vindmøllevinger drives i industriel skala for at understøtte en cirkulær økonomi?4) Hvordan kan det evalueres, hvilke cirkulære værdikæder for udtjentevindmøllevinger, der skal industrialiseres, og hvilke variabler påvirkerdenne beslutning? For at give et fyldestgørende svar på disse forskningsspørgsmål, sammenfatter denne ph.d.-afhandling resultater fra syv individuelle forskningsartikler, baseret på en kombineret metodisk tilgang.

Første delforskningsspørgsmål behandles i Kapitel 5 ved at udforskeog uddybe barrierer for etablering af cirkulære værdikæder gennem resultater af Artikel I kombineret med yderligere litteraturgennemgang oganalyse. Artikel I anvender matematisk modellering ved hjælp af en Weibull-fordeling på data fra stamdataregisteret for vindmøller i Danmark, forat identificere fremtidige affaldsmængder fra vindmøllevinger. Resultatetviser hvordan den gennemsnitlige levetid inden nedtagelse for vindmøllevinger i Danmark er 29 år, hvilket er 9-11 år længere end tidligere undersøgelser har forudsagt. Derudover omfatter resultaterne af Kapitel 5identifikationen af otte forskellige barrierer for implementering af cirkulære værdikæder for udtjente vindmøllevinger, som skal løses for atcirkulære løsninger til affaldshåndtering kan blive en realitet.

Andet delforskningsspørgsmål besvares i Kapitel 6 på baggrund af resultaterne fra Artikel II samt en separat undersøgelse af fremtidige forskningsdagsordener og nye teknologier. I Artikel II kombineres en systematisk litteraturgennemgangsmetodologi med en meta-analyse af litteraturen, hvilket resulterer i udviklingen af en model for bæredygtige værdikæder for udtjente vindmøllevinger. Resultaterne af Artikel II kombineresmed en separat forskningsundersøgelse af 17 igangværende samarbejdsprojekter om udtjente vinger for at kortlægge den forventede teknologiske udvikling indenfor området. Resultaterne af de to undersøgelserkombineres i en modificeret model for bæredygtige værdikæder for udtjente vindmøllevinger, som blev diskuteret og valideret af en gruppe akademiske og industrielle eksperter. Modellen inkluderer otte sammenkædede procestrin der skal inkluderes i designet af værdikæder fra start tilslut for seks forskellige bæredygtige teknologier der kan anvendes tilgenbrug eller genanvendelse af vindmøllevinger. Fem af værdikædernevedrører cirkulære principper for genbrug og genanvendelse og omfatterteknologierne for cementproduktion, mekanisk genanvendelse, solvolyse, pyrolyse og strukturel genbrug. Den sjette rute, materialeforbrænding til energiudnyttelse, fravælges, da den ikke giver et tilstrækkeligt niveau af materialecirkularitet. 

Tredje delforskningsspørgsmål besvares i Kapitel 7 med udgangspunkt i Artikel III og Artikel IV, hvor empiriske resultater præsenteres ogkonsolideres fra fire industrielle casestudier af udtjente vindmøllevingerder er blevet genanvendt gennem cirkulære værdikæder. Casestudietsforskningsmetodologi er baseret på en omfattende forskningsprotokol,som inkluderer forskningsdesign, forberedelse, dataindsamling, dataanalyse og datadeling. Data er indhentet fra nøgleaktører gennem semistrukturerede interviews, site-besøg, fotos, produktdatablade og andre relevante kilder efterfulgt af en omfattende analyse inden for hver case ogdernæst på tværs af cases. Resultaterne leder til kortlægningen af firegenanvendelsesværdikæder, der alle omfatter mere end ti tons vingemateriale, der genanvendes gennem cementproduktion, pyrolyse og mekanisk genanvendelse. På tværs af casene konstateres det, at genanvendelsesværdikæder skal designes som et samlet komplet system, der omfatter op til otte forskellige værdikædeprocesser og flere separate transporter. Resultaterne viser sig at validere værdikædemodellen udviklet i Kapitel 6 og demonstrerer, at genanvendelsesværdikæder for vindmøllevinger er både teknisk og operationelt mulige i industriel skala. Yderligereleder resultaterne fra Artikel III til udviklingen af en model for nedlukningog nedtagning af store komplekse produkter

Fjerde delforskningsspørgsmål besvares i Kapitel 8 på baggrund afresultaterne fra Artikel V og Artikel VI. I Artikel V er der som metode anvendt en struktureret litteraturgennemgang, og baseret på resultaterne erder udviklet en tretrinsmodel for bæredygtig beslutningstagning. Modellen er baseret på en metode for evaluering af mange kriterier (multi-criteria decision-making). Modellen er succesfuldt valideret igennem en implementering og test hos en dansk affaldsorganisation, for at identificereden foretrukne teknologi til sektionering af vindmøllevinger. I Artikel IVanvendes en struktureret litteraturgennemgang efterfulgt af udviklingenaf en model for vurdering af fremtidige værdikæder ved hjælp af livscyklusvurdering (life cycle asessment). Resultaterne fra både Artikel V ogVI omfatter udviklingen af to modeller for bæredygtig vurdering af processer og teknologier (Artikel V) og af fremtidige værdikæder (Artikel VI).Resultaterne omfatter også identifikation og præsentation af et komplekstsæt af variabler, som bør inkluderes i disse vurderinger.

De samlede resultater af denne ph.d.-afhandling er samlet i en modelfor cirkulære værdikæder for udtjente vindmøllevinger, som opsummereralle de identificerede værdikædeprocesser og teknologier, mens der tages højde for teknologisk udviklingsniveau samt cirkularitetsniveau. Resultaterne peger ikke på én enkel foretrukken teknologi eller værdikædeløsning, men illustrerer, at fem forskellige ruter er mulige og præsentererpassende løsninger for udtjente vindmøllevinger. Ikke desto mindre er defleste af de identificerede værdikædeprocesser tæt på identiske på tværsaf de fire genanvendelsesværdikæder. Dette omfatter 1) nedrivning påstedet 2) vinge-sektionering 3) første forbehandling, 4) deponering (afikke-genanvendelige dele) samt 5) anden forbehandling ved mekaniknedbrydning. Der kan således med fordel standardiseres og optimerespå disse processer på tværs af værdikæder.
Resultaterne fra denne afhandling fører til den konklusion, at cirkulæreværdikæder for udtjente vindmøllevinger med succes kan opnås ved 1)at anvende en værdikædetilgang til systemudvikling, 2) at anvende modellen for cirkulære værdikæder til udtjente vindmøllevinger til at designeog implementere industrielle faciliteter, 3) en vurdering af værdikæderuter ved hjælp af beslutningstagningsmetoder baseret på livscyklusvurderinger samt evaluering af flere kriterier baseret på caserelaterede variabler, 4) at arbejde med standardisering, optimering og automatisering af fælles værdikædeprocesser mellem de forskellige teknologiske løsninger og værdikæder for at reducere kompleksitet og omkostninger, 5) at investere i forskning og udvikling for at forbedre det teknologiske udviklingsniveau for pyrolyse og solvolyse, og 6) at samarbejde påtværs mellem værdikædeaktører, herunder deling af viden og materialedata.

De nye videnskabelige bidrag fra denne ph.d.-afhandling omfatter fleremodeller for design, evaluering, operationalisering og industrialisering afværdikæder for udtjente vindmøllevinger og for andre store, komplekseprodukter. Derudover leverer denne afhandling en sammenhængendemodel for cirkulære værdikæder for udtjente vindmøllevinger, som fremsætter en ny state-of-the-art inden for forskningsemnet vedrørende implementering af cirkulær økonomi i komposit- og vindenergisektorerne.Det anvendte værdikædeperspektiv og brug af empiriske data fra industrielle cases giver et nyt bidrag til både videnskaben og praksis. Resultaterne bidrager til viden om cirkulær økonomi og dens implementeringgennem design og udvikling af succesfulde værdikædeløsninger baseretpå samarbejde mellem de involverede aktører.