Faserverbundwerkstoffe: Zukunftsmaterial mit offener Entsorgung

Ressourcenschonung und die Entkopplung des Wirtschaftswachstums vom Ressourcenverbrauch fordern eine Transformation der Gesellschaft und des produzierenden Gewerbes. Ein Haupttreiber ist die Transformation im Energiesektor, welche eng mit dem Klimaschutz und den Zielen der CO₂-Einsparung verbunden ist. Europa hat sich zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2020 bezogen auf das Jahr 1990 20 % der Emissionen einzusparen und eine Senkung um 40 % bis 2030 zu erreichen¹. Trotz eindeutiger Fortschritte werden deutlich mehr Anstrengungen erforderlich sein, um auch das bis 2030 gesetzte Ziel zu erreichen. Die Konsequenz ist neben der Energiewende auch eine technologische Transformation, insbesondere auf der Grundlage ökologischer Prozessinnovationen. Energieeffizienz ist das Ziel und Leichtbau das Leitwort eines branchenübergreifenden Trends. Leichtbau umfasst innovative Materialien, Strukturleichtbau und Leichtbaukonzepte sowie neue Herstellungsverfahren. Vor dem Hintergrund dieser Entwicklungen gewinnen Faserverbundwerkstoffe an Bedeutung. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe spielen dabei eine wichtige Rolle. 

Während andere Faserverbundwerkstoffe auf der Basis von Glas-, Aramid- und Basaltfasern für diverse Einsatzgebiete des Bauens und der Mobilität ausreichen, wird für Bereiche, in welchen neben geringer Dichte eine hohe Steifigkeit gefordert wird, weiterhin an carbonfaserverstärkten Kunststoffen geforscht, so etwa in den Bereichen des Flugzeug- und Sportgerätebaus² aber auch im Bereich Carbonbeton. Ein verstärkter Einsatz ist in der Zukunft wahrscheinlich.

Petra Weißhaupt, Biotechnologin im UBA-Fachgebiet für Produktverantwortung

Quelle: Martin Stallmann / Umweltbundesamt

Leichtbau war lange Zeit im Wesentlichen dem Flugzeugbau vorbehalten, doch mit den Zielen des Klima- und Ressourcenschutzes steigen die Anforderungen hinsichtlich Material- und Energieeffizienz. Bei Elektrofahrzeugen ist Leichtbau ausschlaggebend für die Reichweite und fließt daher auch bis in die Konzeption des Antriebs ein. Im Schiffsbau spielt Leichtbau längst nicht mehr nur bei der Konstruktion von Sport- und Freizeitbooten eine Rolle, sondern auch im Innenausbau großer Schiffe, wie zum Beispiel bei Fähren und Passagierschiffen. Ausschlaggebend ist in diesem Fall die so genannte paid load, das heißt die Anforderung, dass auf kleinem Raum möglichst viele Passagiere untergebracht werden sollen. Die Resultate dieses Konzepts sind Schiffe, welche deutlich effizienter und ressourcenschonender betrieben werden können. Ökologie und Ökonomie stehen dabei im Einklang. 

Faserverstärkte Kunststoffe sind Schlüsselwerkstoffe des Leichtbaus, denn sie sind einerseits kostengünstig und weisen andererseits Festigkeiten auf, welche sie für Strukturbauteile geeignet machen. Dabei ist die Materialvielfalt außerordentlich groß. Es gibt Fasermaterialien auf der Basis von Glas-, Carbon-, Basalt-, Aramid- und Naturfasern, die in unterschiedlichen Verarbeitungsverfahren gesponnen, gelegt und gewebt werden können. Diese technischen Textilien werden anschließend in Kunststoffen eingebettet, wozu duroplastische Werkstoffe, Epoxidharze, Polyurethane, aber auch thermoplastische Werkstoffe wie Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyethylenimin und auch Polypropylen Einsatz finden³. Das Resultat ist eine große Materialvielfalt und somit ein sehr breites Anwendungsspektrum. Da sich die Herstellungsverfahren deutlich von denen der metallverarbeitenden Industrie, welche mit Magnesium- und Aluminiumlegierungen auch Leichtbaukonzepte hervorbringen kann, unterscheiden und auch nicht denen der klassischen kunststoffverarbeitenden Industrie entsprechen, ist die Etablierung von Faserverbundwerkstoffen durchaus eine „kleine industrielle“ Transformation. Neue Herstellungsketten müssen aufgebaut werden, so dass dieser Bereich hochinnovativ und forschungsstark ist.

Mit dem Einsatz in Produkten wächst auch die Notwendigkeit der Abfallbehandlung. Nach dem Prinzip der hochwertigen Verwertung sollen der Wiederverwendung und dem Recycling Vorrang eingeräumt werden. So können beispielsweise Reste aus der Endlosfaserverarbeitung zu Hybridgarnen für technische Textilien versponnen oder als Füllstoff im Spritzguss eingesetzt werden. Carbonfaser-Recycling basiert derzeit auf der pyrolytischen Behandlung von CFK-Abfällen zum Aufschluss der Verbunde, wobei lange Fasern zurückgewonnen werden⁴. Nach einer Aufbereitung können diese Fasern im Airlayverfahren zu einfachen Vliesen verarbeitet werden, welche zusätzlich übernäht und dadurch verfestigt werden können, um anschließend in einfachen Bauteilen ohne weitere technische Anforderungen eingesetzt zu werden. Dazu ist jedoch eine Mindestqualität der rezyklierten Fasern erforderlich, die bei Weitem nicht immer vorhanden ist⁵. Thermische Behandlungsverfahren können oftmals nicht eingesetzt werden, da unter den üblichen Prozessbedingungen von Abfallverbrennungsanlagen (Müllverbrennungs- und Sonderabfallverbrennungsanlagen) Carbonfasern nicht vollständig verbrennen⁶. Die Forschungen zu dieser Thematik dauern an. Somit ist bislang eine energetische Verwertung in Abfallverbrennungsanlagen nicht möglich. Auch eine Beseitigung auf Deponien ist nach geltendem Recht (Deponieverordnung) grundsätzlich nicht zulässig; nur die Ablagerung von trockenen Fasern aus elementarem Kohlenstoff wäre denkbar. Diese Notwendigkeit stellt aber auch den Umweltnutzen des innovativen Materials in Zweifel. 

Mit der großen Materialvielfalt entstehen neue Herausforderungen für die Abfallbehandlung. Das Recycling erfordert das Auflösen von Materialverbunden und die Aufbereitung vollkommen neuer Materialien. Somit entstehen neue Anforderungen und alternative Aufbereitungstechnologien, beispielsweise die Pyrolyse, gewinnen an Bedeutung. Mit diesen Herausforderungen beschäftigte sich ein Ad-hoc-Ausschuss des LAGA-Arbeitskreises Abfalltechnik in den vergangenen beiden Jahren⁷. Das UBA hat diese Arbeiten begleitet und aktuelle Forschungen wurden im Rahmen der zweitägigen Tagung „Aufbereitung und Verwertung carbonfaserhaltiger Abfälle“ im September 2019 am Umweltbundesamt in Dessau diskutiert.

Eine wichtige Voraussetzung für innovative und wirtschaftlich tragfähige Recyclingkonzepte ist eine realitätsnahe Schätzung der zu erwartenden Abfallmengen. Dazu kann in Ermangelung einer spezifischen Abfallbilanz der Composites Jahresbericht⁸ herangezogen werden. Im Jahr 2018 wurden in Europa etwa eine Million Tonnen glasfaserverstärkte Kunststoffe verarbeitet, wovon schätzungsweise 20 % auf Deutschland entfallen dürften. Da der Verbrauch seit Jahrzehnten ähnlich hoch ist, ist ein Abfallaufkommen von mehreren hundert Kilotonnen jährlich als realistisch einzuschätzen. Da keine getrennte Erfassung erfolgt, ist die Menge und der Verbleib am Ende der Lebensdauer ungewiss. Es kann größtenteils von einer energetischen Verwertung als Mischabfälle ausgegangen werden.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden deutlich seltener eingesetzt als glasfaserverstärkte Werkstoffe. Gemäß Composites Marktbericht gab es im Jahr 2017 128 Kilotonnen CFK weltweit, davon 36 % in der Luftfahrt, 24 % im Automobilbau, 13 % in der Windenergie, 13 % für Sport und Freizeitgeräte, 5 % im Bauwesen und 9 % sonstige CFK. Es ist davon auszugehen, dass in Europa 52.500 Tonnen CFK pro Jahr und in Deutschland 10.500 Tonnen pro Jahr eingesetzt wurden. Dies entspricht in etwa einer Menge an trockenen Carbonfasern (CF) von 5.800 Tonnen pro Jahr in Deutschland und 20.800 Tonnen pro Jahr in Europa. Auf dieser Grundlage schätzten Expertinnen und Experten, dass es in Deutschland 870 Tonnen pro Jahr CF-Produktionsabfälle und 2.625 Tonnen pro Jahr CFK-Produktionsabfälle gibt. An Post-Consumer-Abfällen könnten bis zu 315 Tonnen pro Jahr CFK anfallen⁹. Somit gibt es in Deutschland jährlich ca. 3.000 Tonnen CFK-Abfall, welcher einer Verwertung zugeführt werden könnte. Die weiteren 870 Tonnen an trockenen Faserabfälle könnten direkt verarbeitet werden, z. B. zur Herstellung von Hybridgarnen¹⁰ oder Vliesen¹¹.

Die Herausforderung des Recyclings von Faserverbundwerkstoffen besteht im Auflösen der Verbunde und der Separation organischer und anorganischer Materialien. Dazu gibt es einige Forschungsansätze, von welchen aber nur wenige bisher den technischen Maßstab erreicht haben. Die Methoden wurden von Oliveux (2015)¹², Naqvi (2018)¹³ und Hagnell (2019)¹⁴ zusammengefasst. Es handelt sich dabei um pyrolytische Verfahren in Festbettreaktoren in kleinem Labor- oder Pilotmaßstab. Lediglich die pyrolytischen Verfahren der CFK Valley Stade GmbH¹⁵ und ELG LTD Coseley¹⁶ sind in Europa technisch als Abfallbehandlungsverfahren verfügbar. Als Alternative zu pyrolytischen Verfahren erkennen wir mechanische Aufbereitungsverfahren. Ein beispielhaftes Verfahren wird derzeit von der Sic Processing GmbH erforscht und von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert¹⁷. Die Aufbereitung besteht in einer mechanischen Zerkleinerung und einer Schwimm-Sink-Fraktionierung. 

Ein Hemmnis für den Ausbau dieser Technologie ist beispielsweise, dass mangels separater Erfassung keine regelmäßigen Inputströme generiert werden. Dies könnte sich allerdings ändern, wenn in erheblichem Maße Rotorblattabfälle ausgedienter Windenergieanlagen entstehen. Hier kommen die Größe, Ausstattung und die hohen Festigkeiten als Schwierigkeit hinzu. Entsprechend einer Studie des Umweltbundesamtes sind ab dem Ende der 2020er Jahre Abfälle von carbonfaserverstärkten Rotorblättern zu erwarten¹⁸. Das Umweltbundesamt spricht sich daher für die Förderung entsprechender spezialisierter Aufbereitungs- und Recyclingverfahren aus, zumal sie mit der zunehmenden Verbreitung des Leichtbaus in der Mobilität und im Bereich des Bauens einmal von bedeutend größerer abfallwirtschaftlicher Bedeutung werden können. Während für die Aufbereitung von Altfahrzeugen bereits die Herstellerverantwortung greift, streben wir ähnliche Regelungen der Organisationsverantwortung für Rotorblätter aus Windenergieanlagen noch an. Dieser Ansatz der Herstellerverantwortung bedeutet aber auch, dass die Entwicklung von Verwertungsstrategien nicht nur Angelegenheit der Behörden, sondern auch der herstellenden Industrie ist.

Bei den genannten und teilweise auch ausgezeichneten Möglichkeiten des Recyclings ist zu berücksichtigen, dass sich Recycling nach derzeitigem Stand der Technik und auch in absehbarer Zukunft auf ein bis zwei Kreisläufe beschränken wird. Anschließend werden die Fasern derart verkürzt und auch zerfasert sein, so dass kein weiterer Einsatz mehr möglich ist. Somit ist die Bereitstellung von geeigneten Entsorgungsverfahren eine Notwendigkeit.

Vollständig energetisch umsetzbar sind nach derzeitigem Stand der Technik lediglich natur- und aramidfaserverstärkte Kunststoffe. Bei glas- und basaltfaserverstärkten Kunststoffen wird das textile Gewebe zurückbleiben. Glasschmelzen und Basaltpartikel werden in der Schlacke verbleiben und sind in hohen Konzentrationen auch nachteilig für die Prozessführung in konventionellen Verbrennungsanlagen. Mitverbrennung in Zementwerken ist eine höherwertige Alternative, bei welchen die mineralischen Anteile stofflich genutzt werden. Dabei ist weitgehend unklar, welche Auswirkungen diese Partikel auf die Eigenschaften des Zements haben. Glaspartikel werden allgemein als positiv betrachtet, obschon das Agglomerationsverhalten bei der Zementherstellung bisher weitgehend unerforscht ist. 

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe eignen sich nicht für eine energetische Nutzung in Abfallverbrennungsanlagen. Knäuel von zerfaserten Carbonfasern bleiben weitgehend unverbrannt zurück und Fasern können in Filteranlagen aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit Kurzschlüsse verursachen. Berechtigterweise nehmen Müllverbrennungsanlagen Monochargen dieser Abfälle nicht entgegen und die Entsorgung bleibt eine ungelöste Aufgabe. Vorgeschlagen wurden die Mitverbrennung in Zementwerken, die reduktive Behandlung im Kupolofen bei der Herstellung von Calciumcarbid sowie im Lichtbogenofen bei der Recyclingstahlherstellung, aber auch hierfür sind Methoden der Vorkonditionierung und mechanischen Aufbereitung notwendig. Als weiterer Vorschlag wurde das Oxi-Fuel-Verfahren¹⁹ als Hochtemperaturverfahren eingebracht, wobei erst wenige Erfahrungen damit vorliegen. Die technische Umsetzbarkeit ist also ungewiss. Thermogravimetrische Analysen (TGA) legen jedoch die Annahme nahe, dass die Prozesstemperaturen und Verweilzeiten ausreichend sind, dass Carbonfasern vollständig zu CO₂ umgesetzt werden könnten. Aber auch für derart spezialisierte Verfahren ist eine mechanische Vorbehandlung der Abfälle notwendig, um aufwendige Hochtemperaturverfahren lediglich im kleinen Maßstab und kleinen Masseströmen zu betreiben. Es bestehen somit weiterhin technischer aber auch organisatorischer und logistischer Forschungsbedarf hinsichtlich einer separaten Erfassung.

Der Leichtbau bietet Chancen für Ressourcenschonung und Klimaschutz und ist daher weiterhin als Zukunftstechnologie einzustufen. Dabei dürfen die innovativen Konzepte aber nicht auf einzelne Materialien reduziert werden. Diverse Materialien sind geeignet und auch konstruktive Lösungen, Strukturleichtbau, sind zielführend im Sinne der Ressourcenschonung. Die Abfalleigenschaften und die Verwertbarkeit dürfen bei allen innovativen Materialien aber nicht außer Acht gelassen werden. Recyclingkonzepte sollten in der frühen Phase der Entwicklung ausgearbeitet werden, und die Recyclingfähigkeit sollte ein wichtiges Kriterium bei der Materialwahl sein. Gerade im Bereich der Fahrzeuge ist der Zustand der Serienfertigung bisweilen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums erreicht, und dann sind gemäß Produktverantwortung unmittelbar Verwertungskonzepte erforderlich. Anderenfalls besteht ein Hindernis für die Markteinführung.

Die Demontagekonzepte von Altfahrzeugen sind auszuweiten, und es sind geeignete Aufbereitungsstrukturen für Rotorblattabfälle von Windenergieanlagen aufzubauen. Diese Entwicklungen werden es dann irgendwann auch erlauben, entsprechende Bauteile von Flugzeugen, Schienenfahrzeugen und Schiffen zu verwerten. Zudem wäre zu erwägen, ob freiwillige Rücknahmesysteme für carbonfaserhaltige Sport- und Freizeitgeräten sinnvoll sind.

¹  GRÜNBUCH: Ein Rahmen für die Klima- und Energiepolitik bis 2030, COM(2013) 169. 

²  Hauke Lengsfeld, Hendrik Mainka, Volker Altstädt (2019) Carbonfasern Herstellung, Anwendung, Verarbeitung, Hanser Fachbuchverlag, ISBN-13: 9783446454071

³  AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V. (2013) Handbuch Faserverbundkunststoffe / Composites, Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen, Springer Fachmedien Wiesbaden, DOI 10.1007/978-3-658-02755-1

⁴  G. Oliveux, L. O. Dandy, G. A. Leeke (2015) Current status of recycling of fibre reinforced polymers: Review of technologies, reuse and resulting properties, Progress in Materials Science 72, 61–99

⁵  S. Pimenta, S. T. Pinho (2011) Recycling carbon fibre reinforced polymers for structural applications: technology review and market outlook, Waste Management 31, 378–392. DOI:10.1016/j.wasman.2010.09.019

⁶  J. Stockschläder, P. Quicker, C. Thiel, M. Beckmann, W. Baumann, M. Wexler, D. Stapf, R Koralewska (2019) Carbonfaserhaltige Abfälle in der thermischen Abfallbehandlung – Zwischenergebnisse aus Untersuchungen im industriellen Maßstab – in Energie aus Abfall, 333-356, TK Verlag, Neuruppin, 978-3-944310-45-9.

⁷  Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall: Entsorgung faserhaltiger Abfälle, Abschlussbericht, Juli 2019.

⁸  Composites-Marktbericht 2018, Marktentwicklungen, Trends, Ausblicke und Herausforderungen

⁹  H. G. Jäckel (2019) Konzeption und Pilotierung eines Verfahrens zur vollständigen stofflichen Verwertung von kohlenstofffaserhaltigen Abfällen, UBA-Tagung „Aufbereitung und Verwertung carbonfaserhaltiger Abfälle“ am 19 und 20.09.2019 in Dessau.

¹⁰  A. Abdkader, M. Hengstermann, M. M. B. Hasan, M. Hossain, Ch. Cherif, D Weber (2017) Spinnverfahren zur Herstellung von Hybridgarnen aus recycelten Carbonfasern für CFK-Bauteile. Melliand Textilberichte 98, 4, 184–187.

¹¹  Marcel Hofmann, Holger Fischer, Katharina Heilos, Andrea Miene (2019) RecyCarb: Process Optimization and On-Line Monitoring in the Recycling of Carbon Fibre Waste for the Re-Use in High-Grade Fibre Reinforced Plastics, Key Engineering Materials, 809, 515–520, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.809.515.

¹²  G. Oliveux, L. O. Dandy, G. A. Leeke (2015) Current status of recycling of fibre reinforced polymers: Review of technologies, reuse and resulting properties, Progress in Materials Science 72, 61–99.

¹³  S. R. Naqvi, H. M. Prabhakara, E. A. Bramer, W Dierks, R. Akkermann, G. Brehm (2018) A critical review on recycling of end-of-life carbon fibre/glass fibre reinforced composites waste using pyrolysis towards a circular economy, Resources, Conservation and Recycling 136, 118‒-129.

¹⁴  M.K. Hagnell, M. Åkermo (2019) The economic and mechanical potential of closed loop material usage and recycling of fibre-reinforced composite materials, Journal of Cleaner Production 223, 957-968.

¹⁵  T. Rademacker, M. Fette, G. Jüptner (2018) Sustainable Use of Carbon Fibers through CFRP Recycling. Lightweight Design worldwide, 11, 12–19, doi:10.1007/s41777-018-0041-9.

¹⁶  M. Holmes (2018) Recycled carbon fiber composites become a reality, Reinforced Plastics, 62, 3, 148–153.

¹⁷  SiC Processing (Deutschland) GmbH (2018 bis 2020) Konzeption und Pilotierung eines Verfahrens zur vollständigen stofflichen Verwertung kohlenstofffaserhaltiger Abfälle, Aktenzeichen 34400/01, https://www.dbu.de/projekt_34400/01_db_2848.html.

¹⁸  F. Zotz, M. Kling, F. Langner, P. Hohrath, H. Born, A. Feil (2019) Entwicklung eines Konzepts und Maßnahmen für einen ressourcensichernden Rückbau von Windenergieanlagen, UBA-Texte 117/2019.

¹⁹  M. A. Nemitallah, M. A. Habib, H. M. Badr (2019) Oxyfuel Combustion for Clean Energy Applications, Springer Nature Switzerland AG, DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-10588-4