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Rotorblattverwertung von A bis Z

Überblicksstudie über verfügbare und umweltfreundliche Techniken Rotorblätter von Windenergieanlagen bestehen aus Faserverbundstoffen, die bislang sehr unterschiedlich entsorgt wurden. Das Umweltbundesamt (UBA) hat nun ein umfangreiches Kompendium über die nachhaltige Nutzung und die Abfallbehandlung von Rotorblättern vorgelegt. Mit dem Ende der Lebensdauer von vielen Windenergieanlagen in den nächsten beiden Jahrzehnten werden auch viele Faserverbundwerkstoffe anfallen, für deren Verwertung es noch keine eindeutigen Vorgaben gibt. In diesem Jahrzehnt ist mit einem Abfallaufkommen von jährlich bis zu 20.000 Tonnen Rotorblattmaterial zu rechnen, für die 2030er-Jahre werden bis zu 50.000 Tonnen pro Jahr vorhergesagt. Die Rotorblattstudie des UBA zeigt nun, wie diese Mengen am besten demontiert und recycelt werden können. Während für das Recycling der meisten Bestandteile von Windenergieanlagen ausreichende Kapazitäten und klare Verfahren zur Verfügung stehen, ist dies bei Rotorblattabfällen bislang noch nicht der Fall. Die Verwertung dieser sehr großen und hochfesten Anlagenteile wurde bislang nur von einzelnen Entsorgungsfachbetrieben vorgenommen, welche aber keine Daten zur Wiederverwertung bzw. Recyclingfähigkeit lieferten. Die Verwertung war damit technisch und wirtschaftlich kaum einzuschätzen oder zu bewerten. Dirk Messner, Präsident des Umweltbundesamtes: „Unsere Studie zeigt: Wir müssen ⁠ Klimaschutz ⁠ von Anfang an mit zirkulärem Wirtschaften verbinden. Wie für Rotorblätter gilt dies ebenso für Lithium-Ionen-Batterien, Solaranlagen oder andere Klimatechnik. Abfall zu vermeiden sollte bei jeder technischen Klimaschutzinnovation das Ziel sein. Zusätzlich müssen Recyclingkonzepte für die Produkte entwickelt werden.“ Im Auftrag des Umweltbundesamtes wurden nun die verfügbaren Demontagetechniken untersucht, anhand umweltrelevanter Kriterien beurteilt und Anforderungen an den Arbeits- und Umweltschutz formuliert. Werden die Rotorblätter beispielsweise vor dem Recycling direkt am Standort der Windenergieanlage zerkleinert, kann carbon- oder glasfaserhaltiger Staub freigesetzt werden. Hier müssen entsprechend Verfahren festgelegt werden, damit dieser Staub nicht in die Umwelt gelangt oder die Gesundheit der Arbeitenden beeinträchtigt. Für die folgende Rotorblattaufbereitung in einem Recyclingbetrieb werden verbindliche qualitätssichernde Standards vorgeschlagen. Besonderes Augenmerk der Studie liegt auf Zerkleinerungstechnologien und Methoden der Fraktionierung. Für die Trennung sämtlicher Komponenten wurde ein mehrstufiges Ablaufschema entwickelt, das für alle Rotorblattvarianten verwendet werden kann. Die verschiedenen möglichen Verwertungsverfahren für die unterschiedlichen Bestandteile eines Rotorblatts werden detailliert beschrieben, um so allen Verwertern Zugang zu den sichersten und umweltfreundlichsten Verfahren zu geben. Dabei zeigt sich: Bei der Verwertung von Carbonfasern haben sich Pyrolyse und Rückgewinnung etabliert. Die Verwertung von glasfaserverstärkten Kunststoffen verläuft bisher hingegen noch nicht optimal. Die Verwertung im Zementwerk ist eine Möglichkeit. Neue Forschungen legen jedoch nahe, den Einsatz in der hochwertigeren Glasverhüttung zu prüfen. Das Umweltbundesamt empfiehlt für die Zukunft technische Normen, nach welchen einerseits die Beschaffenheit von Rotorblättern für die spätere Demontage und das Recycling dokumentiert wird und welche andererseits produktspezifische Separations- und Verwertungsverfahren festschreiben.

Glasfaserverstärkter Kunststoff

Die Modellierung des Umweltprofils „Glasfaserverstärkter Kunststoff“ umfasst die Aufwendungen und Emissionen der Herstellung eines mit 30 % Glasfaser verstärkten Polyamids, welches im Spritzgussverfahren in Form gebracht wird. Die Prozessdaten wurden mit generischen Inventardaten abgeschätzt. Produktion: 1015000t

Herstellung von glasfaserverstärktem Kunststoff, Polyamid, spritzgegossen

Injection moulding of glass fibre.

Teilprojekt 3: Theorie und Grundlagen

Das Projekt "Teilprojekt 3: Theorie und Grundlagen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Baubetriebswesen durchgeführt. Die Region 'Elbtal Sachsen' hat sich nach dem Niedergang der traditionellen Textilindustrie als Vorreiter auf dem Gebiet des Leichtbaues mit Faserverbundwerkstoffen etablieren können. Dazu gehören insbesondere auch die erfolgreichen Forschungsarbeiten zum Textilbeton (Carbonbeton). Mit der Substitution von Metallen durch die Faserverbundwerkstoffe fallen mit dem Lebenszyklusende faserhaltige Abfälle an, die - anders als konventionelle Metalle - bisher noch kein etablierter Teil der Recyclingkette sind. Dabei stellt das Recycling von Carbonbetonabfällen die größten Anforderung an die Prozesse. Die Region 'Elbtal Sachsen' soll als Zentrum des regionalen Bündnisses für Kreislauf- und Ressourcenwirtschaft von Faserverbundwerkstoffen eine Modellregion ausbilden und Abnehmer für faserverstärkte Werkstoffabfälle für Sachsen und gegebenenfalls angrenzender Gebiete sein. Angesichts vielfältigster Verwertungsoptionen, die bisher wiederum nicht als geschlossener Wertstoffkreislauf umgesetzt werden, wollen sich die Antragssteller den Herausforderungen des hochwertigen Recyclings von Faserverbundwerkstoffen (CFK, GFK, Textilbeton) und der Neuausrichtung der Stoffkreisläufe stellen. Die Aktualität der daraus entstehenden Wiederverwendungs- und Entsorgungsproblematik für kohlenstoff- und glasfaserverstärkten Kunststoff sowie die hohe Praxisrelevanz werden auf allen Ebenen und ausdrücklich von Seiten der Politik und der Wirtschaft betont. Ziel des hier beantragten Verbundvorhabens ist die Erarbeitung eines Konzeptes für die Umsetzung im Rahmen des Programms 'WIR!'. Der Beitrag des Teilvorhabens ist die fachliche Erarbeitung des Konzeptes aus Sicht des Bauwesens und der Abfall- und Kreislaufwirtschaft (IAK). Dazu zählen insbesondere die Analysen und Diskussionen des Marktes für Faserverbundwerkstoffe und des Potenzials für die Kreislaufführung von Faserverbundwerkstoffen.

Teilprojekt 2: Praxis und Umsetzung

Das Projekt "Teilprojekt 2: Praxis und Umsetzung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von H. Nestler GmbH & Co. KG durchgeführt. Die Region 'Elbtal Sachsen' hat sich nach dem Niedergang der traditionellen Textilindustrie als Vorreiter auf dem Gebiet des Leichtbaues mit Faserverbundwerkstoffen etablieren können. Dazu gehören insbesondere auch die erfolgreichen Forschungsarbeiten zum Textilbeton (Carbonbeton). Mit der Substitution von Metallen durch die Faserverbundwerkstoffe fallen mit dem Lebenszyklusende faserhaltige Abfälle an, die - anders als konventionelle Metalle - bisher noch kein etablierter Teil der Recyclingkette sind. Dabei stellt das Recycling von Carbonbetonabfällen die größten Anforderung an die Prozesse. Die Region 'Elbtal Sachsen' soll als Zentrum des regionalen Bündnisses für Kreislauf- und Ressourcenwirtschaft von Faserverbundwerkstoffen eine Modellregion ausbilden und Abnehmer für faserverstärkte Werkstoffabfälle für Sachsen und gegebenenfalls angrenzender Gebiete sein. Angesichts vielfältigster Verwertungsoptionen, die bisher wiederum nicht als geschlossener Wertstoffkreislauf umgesetzt werden, wollen sich die Antragssteller den Herausforderungen des hochwertigen Recyclings von Faserverbundwerkstoffen (CFK, GFK, Textilbeton) und der Neuausrichtung der Stoffkreisläufe stellen. Die Aktualität der daraus entstehenden Wiederverwendungs- und Entsorgungsproblematik für kohlenstoff- und glasfaserverstärkten Kunststoff sowie die hohe Praxisrelevanz werden auf allen Ebenen und ausdrücklich von Seiten der Politik und der Wirtschaft betont. Ziel des hier beantragten Verbundvorhabens ist die Erarbeitung eines Konzeptes für die Umsetzung im Rahmen des Programms 'WIR!'. Der Beitrag des Teilvorhabens ist die Analyse und Darstellung der Unternehmersicht hinsichtlich der Risiken und der Potenziale bei der Einführung neuer Prozesse und Technologien. Dabei werden verschiedene Branchenvertreter miteinbezogen. Es werden konkrete Strategien und Szenarien für die Anpassung der vorhandenen Unternehmensstrukturen an die Verwertung von Faserverbundwerkstoffen entwickelt.

Cellulose-Nanocomposites

Bei Nanocellulose handelt es sich um eine relativ neue Werkstoffentwicklung auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Es existieren mehrere Varianten des Materials wie mikrofibrillierte Zellulose (microfibrillated cellulose ¬ MFC) oder nanokristalline Drähte/Fasern, die sich aus zellstoffhaltigen Pflanzenabfällen, aber auch biotechnologisch durch bakterielle Synthese herstellen lassen. Nanocellulose zeichnet sich durch mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit aus und verbindet diese mit den Vorteilen einer hohen biologischen Verträglichkeit und steuerbaren biologischen Abbaubarkeit. Mittlerweile hat die Herstellung von Nanocellulose die Schwelle zur Kommerzialisierung überschritten und wird von einigen Unternehmen in größerem Maßstab umgesetzt, wie zum Beispiel von CelluForce (Kanada) oder Inventia (Schweden). Auch in Deutschland und der Schweiz gibt es Entwicklungsaktivitäten zu Nanocellulose wie durch das Start-up¬Unternehmen Jenpolymer Materials oder das Adolphe Merkle Institute der Universität Fribourg (Schweiz), das unter anderem an der Entwicklung neuer Hochleistungskomposite aus synthetischen Kunststoffen und zellulosen Nanofasern forscht. Das Anwendungsspektrum von Nanocellulose ist sehr vielseitig und umfasst beispielsweise Anwendungen als Füllstoff zur Verstärkung von Papier oder Lebensmittelfolien, als Wundauflage und Implantatmaterial oder als Trägermaterial für pharmazeutische und kosmetische Wirkstoffe. Darüber hinaus wird Nanocellulose auch als Werkstoff zum Ersatz von Verstärkungsmaterialien entwickelt. Kurz¬ bis mittelfristig erscheint angesichts der mechanischen Eigenschaften unter anderem die Substitution von Glasfasern in Epoxidharzsystemen interessant. In diesem Zusammenhang wurde in einer Studie der TA Swiss im Rahmen einer orientierenden Bilanzierung der CO2 ¬Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichen glasfaserverstärkten Kompositen ermittelt. Im Rahmen einer Hochrechnung wurde dabei angenommen, dass mittel¬ bis langfristig durch die verschiedenen Anwendungsbereiche für Nanocellulose 25 Prozent der glasfaserverstärkten Kunststoffe durch Zellulose¬Nanokomposite substituiert werden können. Ausgehend von dem spezifischen CO2 -Einsparpotenzial in Höhe von rund 1,8 kg CO2 ¬Äquivalente pro Kilogramm Glasfaser könnte sich so ein Gesamteinsparpotenzial von knapp einer halben Million Tonnen CO2 ¬Äquivalente ergeben.

Teilprojekt 2

Das Projekt "Teilprojekt 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ed energie.depot GmbH durchgeführt. Auf der Grundlage des Erkenntnisstandes des Vorhabens 'Weiterentwicklung der Materialeigenschaften von GFK-Wärmespeichern' basierend Entwicklung eines modular aufgebauten Laborspeichers mit Einstiegs- und Funktionsmodulen mit anschließenden umfangreichen Materialbelastungstests und Langzeittests unter Betriebs- und Grenzbedingungen im Verbund mit der Technischen Universität Ilmenau. Entwurf, Entwicklung und Erforschung angepasster BES-Systeme für das Speicherkonzept bis 50m3, Entwicklung, Optimierung möglicher Dämmsysteme durch weiterentwickelte effiziente Verbunddämmsysteme. Folgende Eigenschaften sollen am 4m3-Laborspeicher nachgewiesen werden: 1. Vor-Ort-Montage des Vollkunststoff-Integralspeichers ausschließlich vom Speicherinnern, um den Aufstellraum maximal zu nutzen, 2. Temperaturbeständigkeit bis 95 Grad Celsius, 3. Diffusionsdichtheit, 4. Stabile Schichtung in niedrigen großflächigen Speichergeometrien, 5. Bauform aus 4 unterschiedlichen Einzelteilen zu Speichern bis mind. 50m3, 6. Begehbarkeit, 7. U-Wert 0,11 W/m2, 8. 20Prozent Effizienzzuwachs bei mind. Preisgleichheit zu bisherigen Hocheffizienzkonzepten.

Teilprojekt A: Fraunhofer IWM

Das Projekt "Teilprojekt A: Fraunhofer IWM" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen durchgeführt. Ziel des Projektes ist es, durch systematische Technologie- und Materialentwicklung den Einsatzbereich von biopolymerbasierten Verbundwerkstoffen im Automobilbau deutlich zu erweitern. Dazu soll konkret an biobasierten Lösungen für spezielle modellhafte Interieur- Baugruppen gearbeitet werden. Der innovative Ansatz besteht in der Entwicklung eines biobasierten UD-Laminates als Basis für Verstärkungen von Leichtbaustrukturen. Mit Hilfe dieser Verstärkungen können lokal und gezielt in z.B. Spritzgussbauteilen höher Belastungen aufgenommen werden. Zur Erreichung dieser Ziele müssen Verfahren, Werkzeuge und Materialkombinationen innovativ entwickelt werden. Besonders die Entwicklung eines thermoplastischen endlosfaserverstärkten UD-Laminates unter Einsatz von holzbasierten technischen Fasern (Cellulose-Regenerat-Fasern) stellt eine Herausforderung und damit einen Innovationssprung dar. - Herstellung von PolymerBlends aus PP mit biobasiertem PLA; - Entwicklung eines biobasierten endlosfaserverstärkten UD-Tapes, - Konsolidierung der Laminate aus den UD-Tapes-Werkstoffliches Ranking der Laminate im Vergleich zu GFK; - Laminaten-Überführung der Bio-Laminate in den Spritzgussprozess durch eine erfolgreiche Verfahrensanpassung; - Herstellung von Demonstratoren für die Bereiche Interieur und Exterieur.

Teilvorhaben: Materialentwicklung von CFS für den Einsatz in Rotorblättern

Das Projekt "Teilvorhaben: Materialentwicklung von CFS für den Einsatz in Rotorblättern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von TechnoCarbon Technologies GbR durchgeführt. Im Jahr 1998 wurden in Deutschland etwa 2.300 Onshore-Windenergieanlagen mit 6.900 Rotorblättern installiert. Umgerechnet ergibt dies für 2018, mit einer Rotorblattlebensdauer von 20 Jahren, eine Abfallmenge von über 80.000 t/a FVK (GF und CF). Im Jahr 2020 vs. 2000 werden es dann bereits über 160.000 t/a sein. Diese Tendenz steigt! Für das Recycling dieser immensen FVK-Mengen existieren keine Prozesse. Die Innovation im Projekt 'StoneBlade' besteht in der Entwicklung einer Prozesskette zur Verbesserung des Recycling - durch Schälen der CFS Schichten - im Rotorblattbau bei gleichzeitiger Gesamtgewichtsreduktion und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zur Standsicherheitserhöhung. Hierzu wird im Projekt der Ansatz der Substitution von glasfaserverstärktem Kunststoff in den Blattkomponenten Wurzel, Holm und Steg durch Hartgestein als natur-basiertes, kostengünstiges und verwertbares Leichtbaumaterial verfolgt. Entgegen der Erwartung, dass Gesteine schwer sind, besitzen diese eine Dichte im Bereich von Aluminium. Trotz seiner Sprödheit im Fall von Zugbelastung ist Stein ein volumenkompressibles Material. Vorgespannt im Verbund mit hochsteifen Carbonfasern ist er nicht nur druckstabil, sondern kann auch Zugkräfte aufnehmen, ohne Verlust von Steifigkeit im Dauerlastwechselfall. Der Verbund weist hohe Druckeigenschaften, eine hohe Steifigkeit, gute Dämpfungseigenschaften und eine gute Verwertbarkeit auf. Weitere Vorteile der hohen Druckfestigkeit und der Steifigkeit ergeben sich im Rotorblattbau hinsichtlich der Gefahr der Schubbeulenbildung, welche bei hohen Druckbelastungen auftritt. Bestimmte Komponenten wie der Holmgurt werden mit hohen Materialeinsatz an GFK zur Erreichung der nötigen Blattperformance überdimensioniert. Der neue Verbund bietet im Vergleich zu GFK hinsichtlich der Blatteffizienz ein immenses Einsparpotenzial. Hinzu kommt eine Steigerung der Wertschöpfung durch die gewonnene Gestaltungsfreiheit eines neuen und flexiblen Blattdesigns.

Glass-Fiber Reinforced Epoxy Casing System for Geothermal Application

Das Projekt "Glass-Fiber Reinforced Epoxy Casing System for Geothermal Application" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von gec-co Global Engineering & Consulting Company GmbH durchgeführt. Ziel des Forschungsprojektes GRE-GEO ist die Entwicklung einer im Bohrlochdurchmesser an die Geothermie angepassten Bohrlochverrohrung aus korrosionsbeständigem glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Um das ganzheitliche Entwicklungsziel der Planung, Umsetzung und Demonstration einer neuen Bohrlochverrohrung zu erreichen, werden innerhalb des Projekts die notwendigen Bohr-, Installations- und Handling-Werkzeuge modifiziert und weiterentwickelt. GRE-GEO testet darüber hinaus die neu entwickelte Verrohrung kontinuierlich in einem eigens eingerichteten Teststand zur Verifikation der zu erwartenden, verbesserten Verrohrungseigenschaften. Die gewonnenen Ergebnisse werden beständig evaluiert und projektspezifisch adaptiert. Um eine größtmögliche Akzeptanz und größtmögliche Nutzbarkeit für die betreffende Industrie zu gewährleisten, ist eine Demonstration notwendig und vorgesehen. Aus den Erfahrungen mit den bestehenden Bohrlochverrohrungssystemen, die GFK einsetzen, und den damit verbundenen Bohrlochverrohrungsstandards ergibt sich die Notwendigkeit, einen neuen Standard für GFK vorzubereiten und zu etablieren. Zurzeit werden als Standard in der Geothermie Single-Barrier-Stahlverrohrungen eingesetzt. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass Stahlrohre durch Korrosion - vor allem in Regionen mit aggressiven Thermalwässern (z.B. Niederlande, Norddeutsches Becken, Dogger) - in der Standfestigkeit materialbedingt beschränkt sind. Dadurch besteht das Risiko des Verlustes der Bohrlochintegrität. Deshalb sind Projekte auf der Suche nach einer kostengünstigen Alternative, um die Bohrlochintegrität sicherzustellen. Derzeitige Alternativen am Markt sind kostenintensiv und können erhebliche Umweltschäden zur Folge haben (z.B. Inhibitor Systeme).

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