Digitaler Produktpass kann bei Wiederverwertung von Faserverbundwerkstoffen helfen In Deutschland gibt es ca. 480.000 Sportboote*, eine Million Kanus, 10.000 Motorsegler und Segelflugzeuge sowie 8.000 motorisierte Leichtflugzeuge, die vorrangig zu privaten Zwecken genutzt werden. Am Ende der Nutzungsdauer werden die Gegenstände jedoch bislang nicht sachgerecht recycelt, da etablierte Verfahren der Abfallwirtschaft meist ungeeignet sind und Kapazitäten für die notwendige individualisierte Aufbereitung fehlen. Dirk Messner, Präsident des Umweltbundesamtes (UBA), betont: „Im Bereich der Faserverbundwerkstoffe fehlen derzeit noch Konzepte zur Wiederaufbereitung. Wertstoffe gehen verloren. Mithilfe des digitalen Produktpasses können wir zu einem weitaus besseren Recycling dieser Stoffe kommen.“ Zu diesem Ergebnis kommt auch eine neue Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA-Text 93/2023). Sportboote und Leichtflugzeuge sowie bestimmte Freizeitgeräte, wie Fahrräder, Skier und Musikinstrumente, enthalten Faserverbundwerkstoffe (FVW). Sie sind oftmals langlebig, werthaltig und als Abfälle prädestiniert für die Vorbereitung zur Wiederverwendung oder das Recycling. Eine strukturierte Aufbereitung gilt jedoch derzeit noch als unwirtschaftlich und erfolgt deshalb nicht. Der digitale Produktpass könnte hier Abhilfe schaffen. Eine Einführung eines solchen digitalen Produktpasses mit seinen individualisierten und für Reparatur, Wiederverwendung und Recycling zweckgerichteten Informationen könnte die Kreislaufwirtschaft fördern und Ressourcen schonen. Er könnte zudem die Herausforderung bewältigen, die vergleichsweise geringe Anzahl von gelegentlich anfallenden Altprodukten wenigen, aber hoch spezialisierten Demontageanlagen zuzuführen. Generell liegt in der Digitalisierung ein großes Potential für das Recycling. Neben der Bereitstellung von praktischen Informationen für den Betrieb, die Wartung und das Recycling erlaubt der Produktpass auch die Mengenstromerfassung und Stoffstromlenkung. Logistische Optimierungsaufgaben sind lösbar, Kommunikation über weite Strecken gelingt und systematische Netzwerkanalysen decken Barrieren auf. Die Möglichkeiten für die Abfallwirtschaft sind bei Weitem noch nicht alle erschlossen. Der digitale Produktpass ist ein Datensatz, der die Komponenten, Materialien und chemischen Substanzen oder auch Informationen zu Reparierbarkeit, Ersatzteilen oder fachgerechter Entsorgung für ein Produkt zusammenfasst. Die Daten stammen aus allen Phasen des Produktlebenszyklus und können in all diesen Phasen für verschiedene Zwecke genutzt werden (Design, Herstellung, Nutzung, Entsorgung). Die Strukturierung umweltrelevanter Daten in einem standardisierten, vergleichbaren Format ermöglicht allen Akteuren in der Wertschöpfungs- und Lieferkette, gemeinsam auf eine Kreislaufwirtschaft hinzuarbeiten. * Anmerkung: In der ursprünglichen Version hieß es "ca. 580.000 Sportboote". Es sind aber nur 480.000 Boote. Wir haben die Zahl entsprechend korrigiert. (26.06.2023)
Die Studie beinhaltet ein Konzept für das Recycling von Sportbooten, Leichtflugzeugen und bestimmten Bedarfsgegenständen in Deutschland. Sie umfasst jeweils qualitative und quantitative Produktbeschreibungen, Demontageprotokolle für unterschiedliche Produktgruppen und ein digitales Konzept, nachdem ein modularer Produktpass mit gezielten Stakeholderinformationen die Kreislaufwirtschaft begünstigt. Es wird vorgeschlagen, diesen Produktpass in der europäischen Sportbootrichtlinie (2013/53/EU) festzuschreiben. Die sachgerechte Aufbereitung fordere zudem Abfallschlüssel für Altprodukte und für Abfälle faserverstärkter Kunststoffe im europäischem Abfallverzeichnis (2001/118/EG). Veröffentlicht in Texte | 93/2023.
Das Recycling von Faserverbundkunststoffen (FVK) ist technisch anspruchsvoll und bedingt die getrennte Erfassung sowie eine aufwendige Demontage. Es findet aktuell in Deutschland kaum statt. Hinzu kommt, dass die derzeitigen Abfallmengen an carbon- und glasfaserverstärkten Kunststoffabfällen (CFK und GFK-Abfälle) gering sind. Das Recycling der ressourceneffizienten Leichtbauwerkstoffe gilt als unwirtschaftlich. Die durchgeführte Marktstudie für Sportboote und Leichtflugzeuge sowie Bedarfsgegenständen aus CFK legt den Verbleib der entsprechenden Altprodukte dar und zeigt, dass die FVK-haltigen Abfälle dieser Produktgruppen sowie teilweise auch die vollständigen Produkte der hochwertigen Verwertung verloren gehen. Das ist von erheblichem ökologischem Nachteil. Eine Bündelung und ein gemeinsames Recycling dieser drei Produktgruppen mit anderen FVK haltigen Abfällen (z.B. Rotorblätter von Windenergieanlagen und bestimmte Bauprodukten) erscheint ökologisch sinnvoll und praktikabel im Sinne einer hochwertigen, schadlosen und wirtschaftlich zumutbaren Abfallverwertung. Vor diesem Hintergrund ist es Ziel dieses Vorhabens, ein Kreislaufkonzept für Sportboote und Leichtflugzeuge sowie Bedarfsgegenständen aus CFK zu entwickeln. Um ein hochwertiges Recycling zu ermöglichen, müssen Bauteile aus FVK separat erfasst werden. Hierzu wurden detaillierte Handlungsanweisungen für die Trockenlegung, Demontage und Zerkleinerung von Sportbooten und Leichtflugzeugen sowie Möglichkeiten zur Sammlung und Rücknahme von CFK-haltigen Bedarfsgegenständen erarbeitet. Das Konzept schließt die systematische Wiederverwendung und Vorbereitung zur Wiederverwendung ein. Aus Sicht des Umweltschutzes kritische Punkte der Abfallverwertung wurden erkannt, beschrieben und Vorschläge für den sicheren Umgang mit Abfällen erarbeitet. Diese umfassen neben grundlegend wichtigen Empfehlungen zur Verwertung und der Nutzung digitaler Konzepte auch die Berücksichtigung politischer und organisatorischer Instrumente. Die Instrumente umfassen die Einführung von technischen Standards basierend auf den im Rahmen der Studie entwickelten Handlungsanweisungen, die Fortentwicklung bestehender Recyclingverfahren, den digitalen Produktpasses für Sportboote und freiwillige Rücknahmesysteme für CFK-haltige Bedarfsgegenstände. Eine wichtige formale Voraussetzung für die spezialisierte Verwertung ist die Einführung entsprechender Abfallschlüssel, was eine Änderung des Europäischen Abfallverzeichnisses erfordert. Quelle: Forschungsbericht
Ein Leuchtturmprojekt im Hinblick auf Biowerkstoffe ist das BIOCONCEPTCAR. Den Projektbeteiligten ist es unter der Federführung des Instituts für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) gelungen, den Anteil an biobasierten Werkstoffbauteilen in einem Rennwagen zu erhöhen. Die deutliche Reduktion des Fahrzeuggewichts durch die Verwendung von Bioverbundwerkstoffen bei Fahrzeugaußenbauteilen war dabei das erklärte Ziel. Zudem sollte die Werkstoffmatrix aus biobasiertem Kunststoff bestehen. Am Ende der Entwicklungsphase wurden großflächige Karosserieteile wie Motorhaube, Tür, Heckklappe, Dach-/Heckspoiler, Unterbodenabdeckung aus biobasiertem Duroplast mit Leinenfasern gefertigt. Während der Bauteilentwicklungsphase war neben dem Testen verschiedener Materialkonzepte eine flexible bauteilspezifische Verarbeitung ein Untersuchungsschwerpunkt. Dabei wurde ermittelt, inwieweit gängige Maschinen und Verfahren für Bioverbundwerkstoffe einsetzbar sind, denn ein Anreiz für das Verwenden einer neuen Werkstoffgeneration stellen die geringen Investitionskosten dar. Erfolgreich durchgeführt wurden die Untersuchungen mit einer branchenbekannten Extruder- und Spitzgussmaschine. Als Ergebnis der Entwicklungsarbeit wurde eine erhebliche Gewichtseinsparung am Fahrzeug erzielt. Allein durch Substitution von Stahl durch einen Bioverbundwerkstoff bei Türen, Motorhaube und Heckklappe wurde eine Gewichtsreduktion von 67 kg erreicht. Bei einem Bauteil konnte durch das Substitut das Gewicht um 60 % reduziert werden. Die deutliche Gewichtsersparnis führt in der Nutzungsphase zu einem geringeren Verbrauch und damit zu einem niedrigeren CO2-Ausstoß bei Verbrennungsmotoren oder einer größeren Reichweite bei Elektrofahrzeugen. Neben den erwähnten Vorteilen gegenüber Stahlbauteilen sind weiterhin die Fragen nach Crash-Verhalten und Reparaturmöglichkeiten zu klären. Ein biobasierter Faserverbundwerkstoff weist gegenüber einem fossilbasierten Verbundwerkstoff einen signifikanten Kostenvorteil auf. Die Kosten für Leinenfasern lagen bei ca. 2,50 Euro/kg und für Kohlefasern bei ca. 30 Euro/kg.
Gewichtsreduktionen bis zu 30 % im optimierten Nutzfahrzeugbau sind keine Seltenheit mehr. LKW können dadurch mehr Fracht transportieren, Kraftstoff einsparen und die Verkehrsnetze entlasten. Durch die Optimierung bei Transportbetonmischern, kann fast bis 1 m³ mehr Beton pro Fahrt transportiert werden. Für nutzlastintensive Branchen wie den Tank- und Silobereich entspricht eine Nutzlaststeigerung von 150 kg einem Mehrerlös von jährlich 1500 €. Weitere Beispiele für Effizienzsteigerungen bei LKW durch Leichtbau sind: Eine neue leichte Vorder- und Hinterachsaufhängung, die insgesamt rund 80 kg weniger Gewicht ins Nutzfahrzeug bringt. Ein neuer Leichtbaurahmen aus Stahl, der 30 % weniger wiegt. Ein Vierpunktlenker, der drei Fahrwerksaufgaben in einem Bauteil vereint (Längs- und Querführung der Achse und Wankstabilisierung). Mithilfe dieser Bauelemente entfallen Dreiecklenker, Stabilisator und andere Komponenten zur Fahrwerkanbindung, wodurch das Gewicht der Gesamtachse reduziert wird. Außerdem wird gerade daran geforscht, den Vierpunktlenker anstelle der Gussausführung mit Faserverbundwerkstoffen herzustellen, sodass zusätzlich der Werkstoffleichtbau forciert wird. Eine Konzeptstudie zeigte bereits, dass der aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) hergestellte Vierpunktlenker im Vergleich zur Gussvariante etwa 25 % (entspricht 11 kg) leichter ist. Auch das Gewicht neu entwickelter Kabinendämpfungsmodule wurde um bis zu 30 % reduziert. Im Vergleich zu dem Gesamtgewicht von LKW klingt das zunächst nach wenig. Wenn allerdings auf die gesamte Kilometerleistung von Fernverkehrfahrzeugen hochgerechnet wird, kommen jährlich durchschnittlichen 150.000 km und bei 6 Jahren Einsatzdauer 900.000 km Gesamtlaufleistung zusammen. Dann wird die Steigerung der Nutzlast in der beschriebenen Größenordnung durchaus rentabel.
Hybrider Leichtbau verspricht bei niedrigem Gewicht eine hohe Perfomance. Da allerdings die Herstellung sowie die Entsorgung mit hohen Energieaufwänden bzw. schwierigen Trennprozessen verbunden sind, ist ihr Einsatz aus Sicht der Ressourceneffizienz kritisch zu betrachten. Aus diesem Grund ist es zumindest erstrebenswert, die Fasern durch weniger energieintensive Fasern zu substituieren. Das Schweizer Unternehmen Bcomp hat gemeinsam mit seinem Partner Lange + Ritter innovative Lösungen für nachhaltigen Leichtbau auf Basis von Flachs entwickelt. Die Hightech-Materiallösungen ermöglichen eine Steigerung der Performance von Kohlefaserbauteilen und eine gleichzeitige Senkung von Kosten um 30% und die CO2-Emissionen um bis zu 75% . Die Technologie ermöglicht es zudem, Kohlefaser- und Glasfaserbauteile zu verstärken, wodurch das Bauteilgewicht bei gleicher Performance um bis zu 20% gesenkt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Materiallösung mit denselben Maschinen und Werkzeugen verarbeitet werden kann, wie Carbonfasern. Die Technologien eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, von Sportgeräten bis hin zu Raumfahrtanwendungen. Das Material kann wie herkömmliche Faserverbundwerkstoffe verarbeitet werden und ist bereits in vielen Bereichen im Einsatz.
Im Leichtbau werden oft unterschiedliche Materialtypen miteinander kombiniert, deren Zusammenfügen eine Herausforderung darstellt. Dabei werden häufig poröse Werkstoff eingesetzt, die sich aufgrund ihrer Hohlräume kaum für herkömmliche Fügeverfahren eignen. Vorlöcher schwächen das Material. Darüber hinaus benötigen Klebeverbindungen lange Aushärtzeiten und eignen sich nur für einen bestimmten Temperaturbereich. Die MultiMaterial-Welding AG hat daher eine Technologie entwickelt, mit der sich Leichtbau- und Mischmaterialien schnell und ohne Materialschwächung verbinden lassen. Dabei verschmelzen thermoplastische Elemente durch Ultraschallenergie in den porösen Werkstoffstrukturen. Somit wird ein Formschluss zwischen den beiden Materialien hergestellt, der über eine große Fläche und ein hohes Volumen verfügt und damit für eine stabile Verbindung sorgt. Der Prozess wird durch Künstliche Intelligenz überwacht, die die entstandene Verbindung mittels intelligenter Algorithmen auswertet. Dadurch können unsichere Verbindungen aussortiert werden, ohne dass zerstörende Werkstückprüfungen notwendig sind. Auch sammelt die Software Daten, auf deren Grundlage künftige Projekte entwickelt und neue Materialkombinationen geprüft werden sollen. Es sind bereits drei Fügeverfahren für unterschiedliche Werkstofftypen im Einsatz. Die „LightWWeight Pins“ ermöglichen das Fügen von polyurethan-geschäumten Leichtbauwerkstoffen. Mit der „LightWWeight Lotus“-Technologie lassen sich Faserverbundwerkstoffe und Textilien fixieren. Auch dünne Bleche können ohne Vorbohren mit dem darunter liegenden Material verbunden werden. Die metallische „InWWerse Disc“ ermöglicht das Fügen von zwei nicht schweißbaren Kunststoffen oder aber auch von Kunststoff und Metall. Die Technologie ermöglicht es, auch Werkstücke mit geringen Wandstärken zu verbinden. Beim herkömmlichen Schweißen braucht es in der Regel circa 3 mm Wandstärke. Mit diesen Verfahren können bereits viele Anwendungsfälle abgedeckt werden, welche die MultiMaterial-Welding-Plattform mit neuen Lösungsansätzen auch für kommende Kundenanforderungen erweitern möchte.
Das Projekt "WIR! - Waste2Value - Waste2Wood" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH durchgeführt. Das Projekt verfolgt einen innovativen Ansatz zur Herstellung von strukturellen Holzwerkstoffen aus Holzabfällen (Hackschnitzel, Waldrestholz, Holzstaub/-mehl u.a.) mittels einer nachhaltigen Technologie. Ziel ist die Entwicklung eines neuen chemischen und biotechnologischen Verfahrens zur Behandlung der Biopolymermatrix von Holzabfällen, welches die Form des Holzes als Faserverbundwerkstoff erhält. Ein Teil des Lignins und der Hemizellulose wird entfernt und die Struktur schließlich auf ein Viertel des ursprünglichen Volumens verdichtet und dann konsolidiert, wobei Ausrichtung, Länge und Chemie der Zellulosefasern erhalten bleiben. Dadurch sollen sich mechanische Eigenschaften des Holzwerkstoffs erheblich verbessern (um eine Größenordnung). Damit dient der neue biobasierte Verbundwerkstoff als ökoeffiziente Alternative für einen Strukturwerkstoff in neuen Produkten für Leichtbauanwendungen. Er soll zunächst als neuer Baustein in Brettsperrholz in einem Multimaterialdesign mit variierendem Lagenaufbau implementiert werden. Hier ist eine Einsparung von bis zu 40% des Volumens bei einem bis zu zwölffachen Anstieg von Steifigkeit und Festigkeit zu erwarten, was wesentliche technische und wirtschaftliche Vorteile erwarten lässt. Es ist das Ziel des Projekts, das erforderliche Wissen zu entsprechenden Herstellungsprozessen und Werkstoffdaten zu erarbeiten und zu evaluieren sowie für die spätere Anwendung eine erste Validierung (Labordemonstrator) durchzuführen. Der Beitrag dieses Teilvorhabens zum Gesamtprojekt umfasst im Wesentlichen die Entwicklung eines Behandlungs- und Verdichtungsprozesses für Holzreste, die Hochskalierung der Prozesse auf Technikumsmaßstab, die Charakterisierung und Bewertung von Werkstoffeigenschaften, die Verbesserung der Eigenschaften des neuen Holzmaterials sowie die Ermittlung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen für die neuen Holzmaterialien.
Das Projekt "WIR! - Lausitz - Life & Technology - Innovative Windenergie-Technologien in der Lausitz" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Zittau/Görlitz, Fakultät Maschinenwesen, Professur Strömungsmechanik und Fluidenergiemaschinen durchgeführt. Mit der Nutzung von Windenergie lassen sich die natürlichen Schwankungen im Übertragungsnetz bei der solaren Stromproduktion im Tages- wie auch im Jahresverlauf kompensieren. In ländlichen Gebieten und im Offshore-Bereich sind klassische Windturbinen mit horizontaler Drehachse etabliert und stellen die optimale Lösung zur Energiegewinnung dar. Für den Einsatz in urbanen Gebieten sind hingegen Windturbinen mit vertikaler Drehachse prädestiniert. Die Nachteile dieser Bauart sind niedrigere Leistungsbeiwerte, das ungleichförmige Drehmoment und die mangelnde Fähigkeit zum Selbstanlauf. In dem Projekt sollen hierfür zwei verschiedene Lösungsansätze verfolgt werden - zum einen der Einsatz gewellter Vorderkanten an den Rotorblättern und zum anderen eine aktive Beeinflussung des Anstellwinkels über ein mechatronisches System. Ein generelles Problem aller Windenergieanlagen ist deren nachhaltige Produktion und die Wiederverwertung der Materialien nach Ablauf der Lebensdauer. Naturfaserverstärkte Kunststoffe stellen hierbei eine umweltgerechte Alternative zum Einsatz konventioneller Verbundwerkstoffe aus Carbon- oder Glasfasern dar. Ein Ansatz des Projektes stellt daher die Fertigung der Rotorblätter aus Naturfaser-Verbundwerkstoffen und die Verbesserung von deren Funktionseigenschaften dar. Das Ziel des Verbundprojektes LausitzWind ist die Entwicklung einer nachhaltig herstellbaren Windturbine mit hoher Leistung und niedrigen akustischen Emissionen zum Einsatz in urbanen Gebieten. Der Funktionsnachweis erfolgt durch die Errichtung eines Demonstrators im Realmaßstab. Das Teilprojekt LausitzWind-HSZG (Nr. P_27-1) fokussiert dabei auf die strömungsmechanischen Aspekte der Windturbine, während im Teilprojekt LausitzWind-Härtwig (Nr. P_27-2) insbesondere die festkörpermechanischen Problemstellungen untersucht werden. Das Projekt ordnet sich fachlich in die Innovationsbereiche 'Additive Fertigung' und 'Vernetzte Energiespeichersysteme' des Bündnisses 'Life and Technology' ein.
Das Projekt "TP1: Behandlung, Verdichtung, Prüfung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH durchgeführt. Das Projekt verfolgt einen innovativen Ansatz zur Herstellung von strukturellen Holzwerkstoffen aus Holzabfällen (Hackschnitzel, Waldrestholz, Holzstaub/-mehl u.a.) mittels einer nachhaltigen Technologie. Ziel ist die Entwicklung eines neuen chemischen und biotechnologischen Verfahrens zur Behandlung der Biopolymermatrix von Holzabfällen, welches die Form des Holzes als Faserverbundwerkstoff erhält. Ein Teil des Lignins und der Hemizellulose wird entfernt und die Struktur schließlich auf ein Viertel des ursprünglichen Volumens verdichtet und dann konsolidiert, wobei Ausrichtung, Länge und Chemie der Zellulosefasern erhalten bleiben. Dadurch sollen sich mechanische Eigenschaften des Holzwerkstoffs erheblich verbessern (um eine Größenordnung). Damit dient der neue biobasierte Verbundwerkstoff als ökoeffiziente Alternative für einen Strukturwerkstoff in neuen Produkten für Leichtbauanwendungen. Er soll zunächst als neuer Baustein in Brettsperrholz in einem Multimaterialdesign mit variierendem Lagenaufbau implementiert werden. Hier ist eine Einsparung von bis zu 40% des Volumens bei einem bis zu zwölffachen Anstieg von Steifigkeit und Festigkeit zu erwarten, was wesentliche technische und wirtschaftliche Vorteile erwarten lässt. Es ist das Ziel des Projekts, das erforderliche Wissen zu entsprechenden Herstellungsprozessen und Werkstoffdaten zu erarbeiten und zu evaluieren sowie für die spätere Anwendung eine erste Validierung (Labordemonstrator) durchzuführen. Der Beitrag dieses Teilvorhabens zum Gesamtprojekt umfasst im Wesentlichen die Entwicklung eines Behandlungs- und Verdichtungsprozesses für Holzreste, die Hochskalierung der Prozesse auf Technikumsmaßstab, die Charakterisierung und Bewertung von Werkstoffeigenschaften, die Verbesserung der Eigenschaften des neuen Holzmaterials sowie die Ermittlung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen für die neuen Holzmaterialien.
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| Bund | 829 |
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