Воздействие на окружающую среду и переработка углеродного волокна в аэрокосмической промышленности: практическое руководство для промышленности

Воздействие на окружающую среду и переработка углеродного волокна в аэрокосмической промышленности

В этой статье объясняется воздействие на окружающую среду и переработкауглеродное волокноВ аэрокосмической отрасли основное внимание уделяется практическим решениям, которые могут использовать производители, поставщики и операторы автопарков. Книга написана для инженеров, специалистов по закупкам и устойчивому развитию, которые ищут реалистичные, коммерчески выгодные подходы к сокращению выбросов в течение жизненного цикла и повышению цикличности.Высший углерод—основана в 2017 году и специализируется на индивидуальных заказахдетали из углеродного волокна—вносит идеи в процесс НИОКР и производства в это руководство.

Почему углеродное волокно важно для устойчивого развития аэрокосмической отрасли

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), преобразили конструкцию самолетов, уменьшив вес конструкции, что напрямую снижает расход топлива и выбросы CO2 в процессе эксплуатации. Например, современные авиалайнеры с большим количеством композитных материалов, такие как Boeing 787 и Airbus A350, достигают значительного повышения топливной эффективности по сравнению с устаревшими алюминиевыми конструкциями благодаря высокому содержанию композитов в основных элементах конструкции. Эти снижения в процессе эксплуатации обеспечиваютУглепластикважный инструмент декарбонизации авиации.

Воздействие на окружающую среду в течение жизненного цикла композитов из углеродного волокна

Производство и воплощенная энергия

Производство деталей из углеродного волокна и углепластика (CFRP) требует более высоких начальных затрат энергии, чем производство деталей из алюминия или стали. Первичная энергия и интенсивность выбросов CO2 зависят от исходного сырья (ПАН или пек) и технологического процесса; типичные оценки показывают, что при производстве углеродного волокна содержание углерода на кг выше, чем при производстве обычных металлов. Однако, поскольку углепластик позволяет снизить вес самолетов, выбросы CO2 на пассажиро-километр за весь жизненный цикл (от колыбели до смерти) могут быть ниже, если снижение веса достигается в течение срока службы самолета.

Преимущества в процессе эксплуатации и последствия окончания срока службы

Чистая экологическая выгода зависит от баланса между ростом выбросов при производстве и сокращением расхода топлива в процессе эксплуатации. Проблема заключается в конце срока службы: списанные самолеты и производственные отходы/отходы приводят к образованию композитного лома, который традиционно захоранивался или сжигался. Замыкание этого цикла — за счет улучшения переработки и повторного использования — гарантирует, что преимущества композитов не будут сведены на нет воздействием, оказываемым на них при утилизации.

Текущее состояние переработки углеродного волокна в аэрокосмической отрасли

Объем и движущие силы рынка

Использование углепластика в планерах коммерческих самолётов неуклонно растёт с 2000-х годов. По мере старения авиапарков увеличивается объём отслуживших свой срок композитных компонентов, что стимулирует инвестиции в процессы переработки и циклические бизнес-модели. Отходы композитных материалов аэрокосмического назначения привлекательны, поскольку волокна имеют высокую стоимость; однако стандарты аэрокосмической отрасли на повторное использование структурных материалов строгие, поэтому многие переработанные волокна в настоящее время используются в менее ценных областях.

Распространенные пути переработки

Основные технологии переработки, применяемые на практике и в пилотных масштабах, включают механическое измельчение, пиролиз (термическое разложение) и сольволиз (химическую рекуперацию). Каждый из этих методов позволяет получать переработанное волокно разного качества и выхода, что влияет на дальнейшее использование и экологические компромиссы.

Практическое сравнение методов переработки

Ниже приведено краткое сравнение, которое поможет группам закупок и устойчивого развития оценить варианты.

Что это сравнение означает для аэрокосмической отрасли?

Для деталей аэрокосмической отрасли, требующих структурной целостности, наиболее перспективными являются химически восстановленные волокна (сольволиз) и тщательно контролируемый пиролиз. Механическая переработка является коммерчески зрелым и экономически эффективным методом, но, как правило, предполагает повторное использование материалов в некритических областях. Выбор подходящего метода зависит от объёма цепочки поставок, требований к качеству и компромиссов по выбросам углерода в течение жизненного цикла.

Стратегии проектирования и управления цепочкой поставок для улучшения результатов переработки

Проектирование с учетом возможности переработки и ремонта

Выбор конструкции на ранних этапах определяет варианты использования на этапе завершения срока службы. Примерами служат использование термопластичных матриц там, где это возможно (для переплавки и изменения формы), сокращение количества соединений из нескольких материалов и модульность компонентов для облегчения разборки. Проектирование с учётом возможности вторичной переработки снижает затраты на сортировку и обработку на последующих этапах и повышает вероятность повторного использования переработанных волокон в цепочках поставок дорогостоящих изделий для аэрокосмической или автомобильной промышленности.

Программы возврата и замкнутого цикла

OEM-производители и поставщики второго уровня могут внедрять схемы возврата производственных отходов и снятых с производства деталей. Замкнутое партнерство с переработчиками обеспечивает стабильное поступление сырья и позволяет отслеживать качество переработанного волокна. Программы, сочетающие восстановление (ремонт компонентов), переработку и переработку, дают лучшие экологические и экономические результаты, чем простая утилизация.

Коммерческие и нормативные факторы

Давление со стороны клиентов и регулирующих органов

Авиакомпании, лизингодатели и регулирующие органы всё чаще учитывают при закупках материалы, находящиеся в эксплуатации, и выбросы углерода. Региональные нормативные акты (например, целевые показатели ЕС в области циклической экономики) и корпоративные обязательства по достижению нулевого уровня выбросов подталкивают игроков аэрокосмической отрасли к внедрению измеримых стратегий переработки и цикличности. Демонстрация надёжного пути переработки углепластика может стать конкурентным преимуществом при подаче заявок и выборе поставщика.

Стоимость и надежность поставок

Переработка снижает зависимость от первичных прекурсоров и может смягчить волатильность цен на углеродные волокна. По мере развития и масштабирования технологий переработки переработанное волокно может обеспечить экономическое преимущество для некритических и полуструктурных применений, а в конечном итоге и для более ценных применений по мере развития стандартов валидации.

Как могут помочь поставщики, такие как Supreem Carbon

Практические предложения и решения

Компания Supreem Carbon (площадь завода около 4500 м²; 45 человек производственного и технического персонала; более 1000 наименований продукции, включая более 500 деталей, изготовленных по индивидуальному заказу) готова оказать поддержку клиентам из аэрокосмической и автомобильной промышленности, предоставляя рекомендации по проектированию с учётом переработки, сбору отходов и производству для вторичного рынка. Предлагаемые услуги включают:- Сбор и сортировка производственного лома для предпочтительных маршрутов переработки.- Проектирование деталей для облегчения разборки и ремонта.- Разработка мелкосерийных циклов восстановления с использованием регенерированного волокна в полуструктурных или внутренних компонентах.

Шаги, которые Supreem Carbon рекомендует клиентам

1) Проведите аудит материальных потоков: определите типы и объемы отходов. 2) Отделите наиболее ценные отходы.препреги отдельно потоки отвержденных композитов. 3) Пилотные партнерства по переработке (пиролиз или сольволиз) для выбранного сырья. 4) Обновить спецификации, чтобы обеспечить наличие проверенного содержания переработанных материалов в некритических деталях. 5) Отслеживать снижение выбросов в течение жизненного цикла и сообщать о результатах клиентам.

Заключение: Закрытие цикла для реальных выгод для окружающей среды

Углеродное волокно обеспечивает очевидные экологические преимущества в процессе эксплуатации для аэрокосмической отрасли за счет снижения веса и экономии топлива. Для реализации преимуществ полного жизненного цикла компаниям отрасли необходимо заняться утилизацией композитных материалов, отслуживших свой срок. Практические подходы сочетают в себе усовершенствованную конструкцию, выборочное использование технологий переработки (пиролиз и сольволиз для более качественного восстановления) и бизнес-модели — возврат, восстановление и проверенные стандарты содержания переработанных материалов. Поставщики, такие как Supreem Carbon, могут уже сейчас реализовать прагматичные шаги: собирать и сортировать отходы, внедрять пилотные партнерства по переработке и модернизировать детали для обеспечения их пригодности к переработке. Эти действия позволят снизить негативное воздействие на окружающую среду, повысить устойчивость поставок и помогут авиации достичь амбициозных целей по декарбонизации.

Часто задаваемые вопросы

Каковы основные экологические преимущества использования углеродных композитов в самолетах?Расход топлива и выбросы CO2 в процессе эксплуатации снижаются, поскольку углепластик позволяет создавать более лёгкие планеры и повышать топливную эффективность. Для современных авиалайнеров с большим количеством композитных материалов это может привести к двузначному процентному улучшению расхода топлива по сравнению со старыми конструкциями, в зависимости от конфигурации и выполняемой задачи.

Можно ли повторно использовать переработанное углеродное волокно в конструктивных деталях аэрокосмической техники?Сегодня большая часть переработанного углеродного волокна используется в некритических или полуструктурных приложениях, поскольку свойства регенерированного волокна различаются в зависимости от метода переработки. Углубленная химическая переработка (сольволиз) и контролируемый пиролиз позволяют получать волокна с более высокой остаточной прочностью; однако повторное использование в аэрокосмической промышленности требует строгой валидации и сертификации перед широким применением.

Какой метод переработки лучше всего подходит для деталей аэрокосмического назначения?Сольволиз и контролируемый пиролиз наиболее перспективны для переработки в аэрокосмической промышленности, поскольку они лучше сохраняют прочность и морфологию волокон. Механическая переработка подходит для менее ценных применений. Выбор оптимального метода зависит от исходного сырья, требуемого качества волокон и масштаба производства.

Как производители могут сократить отходы композитных материалов уже сейчас?Проектирование с учётом возможности вторичной переработки (модульность, выбор термопластика), оптимизация производственных процессов, разделение потоков отходов и сотрудничество с сертифицированными переработчиками или пилотными проектами. Внедрение программы возврата производственного лома — это практический шаг на начальном этапе.

Является ли переработка углеродного волокна экономически эффективной?Стоимость зависит от масштаба, технологии и места использования. Хотя в некоторых случаях переработанное волокно может быть дороже недорогого первичного волокна, его ценность достигается за счёт снижения затрат на утилизацию, потенциального хеджирования цен, соблюдения нормативных требований и репутационных преимуществ. Ожидается, что по мере масштабирования технологий стоимость будет снижаться.

Как Supreem Carbon поддерживает клиентов в вопросах устойчивого развития и переработки?Supreem Carbon предлагает поддержку в области НИОКР, разработку индивидуальных деталей с учетом возможности вторичной переработки, сбор и сортировку производственных отходов, а также сотрудничество с партнерами по переработке для пилотного повторного использования или восстановления переработанного углеродного волокна.

Ссылки

1. Информационные бюллетени и сводки экологических характеристик Boeing 787 Dreamliner.
2. Технические характеристики и ссылки на материалы облегченной конструкции самолета Airbus A350 XWB.
3. Институт Фраунгофера по производственным технологиям и перспективным материалам IFAM — исследовательские публикации по технологиям переработки композитных материалов.
4. CompositesWorld — отраслевые статьи и обзоры технологий по переработке углепластика (пиролиз, сольволиз, механическая переработка).
5. Отчеты и аналитические записки Европейской комиссии по вопросам циклической экономики и управления композитными отходами.
6. Труды отраслевой конференции (SAMPE, ICCM) по результатам переработки и сохранению прочности на разрыв после пиролиза/сольволиза.