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.
Ziel des Projektes war es unterschiedliche thermische Prozesse hinsichtlich ihre Eignung zur energetischen und rohstofflichen Verwertung verschiedener carbonfaserhaltiger Abfälle zu untersuchen. Dafür wurden sowohl Laboruntersuchungen als auch Messungen an großtechnischen Anlagen durchgeführt. Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass sowohl die gezielte Entsorgung von Carbonfasern als auch deren Eintrag mit anderen Abfällen in Siedlungs- und Sonderabfallverbrennungsanlagen zu vermeiden ist. Auch die Entsorgung in Zementofenanlagen sollte wenigstens solange unterbleiben, bis in Langzeitversuchen nachgewiesen wurde, dass ein relevanter Eintrag von Fasern in das Produkt Klinker ausgeschlossen werden kann. Die rohstoffliche Verwertung von carbonfaserhaltigen Materialien im Elektroniederschachtofen der Calciumcarbidherstellung ist prinzipiell möglich, erfordert allerdings eine aufwändige Aufbereitung der Einsatzmaterialien. Vorher sind zudem weitergehende Untersuchungen zur Optimierung der CFK-Zugabe in den Ofen durchzuführen, um den Faseraustrag mit dem Ofengas zu reduzieren. Als unmittelbare Maßnahme sollten geeignete separate Erfassungswege und Sortier- bzw. Aufbereitungstechniken für carbonfaserhaltige Rest- und Abfallströme etabliert werden. Dies ist die Voraussetzung für eine umweltverträgliche Entsorgung von carbonfaserhaltigen Abfällen. Veröffentlicht in Texte | 131/2021.
Im Rahmen des UFOPLAN-Vorhabens "Möglichkeiten und Grenzen der Entsorgung carbonfaserverstärker Kunststoffabfälle in thermischen Prozessen" wurden unterschiedliche thermische Prozesse im Hinblick auf ihre Eignung zur energetischen und rohstofflichen Verwertung verschiedener carbonfaserhaltiger Abfälle untersucht. Der Fokus der Messungen an den großtechnischen Anlagen lag auf der Ermittlung einer potenziellen Faserbelastung der prozessspezifischen Reststoffe bzw. Produkte. Zusätzlich wurden Laboruntersuchungen zum thermischen Faserabbau, sowie zur mechanischen und chemischen Faserrückgewinnung durchgeführt. Eine begleitend durchgeführte Recherche zum Stand des Wissens und der Technik zur Behandlung von carbonfaserhaltigen Abfällen zeigt, dass es Ansätze zum Recycling von Carbonfasern (CF) gibt. Auch für mit Kunststoff benetzte (CFK) Abfälle existiert mit der Pyrolyse ein Prozess zum werkstofflichen Recycling. Die dabei rezyklierten Carbonfasern (rCF) werden bereits in einzelnen Anwendungen eingesetzt. Eine breitere Marktakzeptanz fehlt derzeit noch. Die Laboruntersuchungen zu Methoden der Faserrückgewinnung mittels mechanischer Prozesse zeigten, dass verschiedene Abfallarten unterschiedliches Zerkleinerungsverhalten aufweisen. Kurzfasern können in bestimmten Prozessen durch mechanisch aufbereitete rezyklierte Materialien ersetzt werden. Durch den Zerkleinerungsschritt kommt es jedoch zum Downcycling. Bei den Untersuchungen zur chemischen Faserrückgewinnung mittels Solvolyse konnte im Labormaßstab, insbesondere mit überkritischem Wasser sowie angesäuertem Polyethylenglycol, das grundsätzliche Potenzial nachgewiesen werden. Im Fokus des Projekts standen die großtechnischen Untersuchungen zur energetischen Verwertung carbonfaserhaltiger Abfälle in einer Siedlungs- und einer Sonderabfallverbrennungsanlage sowie einer Zementofenanlage. Für eine rohstoffliche Verwertung als Kohlenstoffsubstitut wurden Untersuchungen in einem Elektroniederschachtofen der Calciumcarbidherstellung durchgeführt. Die großtechnischen Untersuchungen zeigten, dass Siedlungs- und Sonderabfallverbrennungsanlagen für eine energetische Verwertung von Carbonfasern nicht geeignet sind, da ein Großteil der Carbonfasern unter den Prozessbedingungen nicht ausreichend umgesetzt und zu einem erheblichen Anteil mit der Rostasche bzw. Schlacke ausgetragen wurde. Weiterhin wurden insbesondere in der Siedlungsabfallverbrennungsanlage, die mit einer Rostfeuerung ausgestattet ist, Carbonfasern mit dem Abgasstrom aus dem Feuerraum ausgetragen. Fasern wurden in der Kesselasche und den Rückständen der Abgasreinigung festgestellt. Auch in der Sonderabfallverbrennungsanlage wurden Carbonfasern in der Kesselasche gefunden, jedoch in geringerer Menge als bei den Messungen an der Rostfeuerung. Ein Austrag von Fasern über den Kamin erfolgte in keiner der Anlagen. Ein Teil der Fasern lag in Geometrien vor, die der WHO-Definition für lungengängige Fasern entsprechen (WHO-Fasern). Die Untersuchungen in der Zementofenanlage erforderten zunächst orientierende Experimente zur Art der Aufgabe der carbonfaserhaltigen Stoffströme. Im Rahmen der Mitverbrennung wurde die aufbereitete CF-Fraktion mit dem Ersatzbrennstoff (Fluff) über den Ofenbrenner dosiert. Bei den Analysen der Produkte wurden im Klinker in einzelnen Proben Carbonfasern in moderater Anzahl nachgewiesen, deren Menge sich aber nicht signifikant von der Referenzmessung, (ohne CF-Mitverbrennung) unterschied. Da im Rahmen dieses Projekts die Zugabe der carbonfaserhaltigen Abfälle nur in einem sehr begrenzten Zeitintervall erfolgen konnte, lassen die vorlie-genden Ergebnisse keine abschließende Bewertung des Verwertungsweges Zementofenanlage zu. Zur Klärung sind Langzeitversuche unter CFK-Mitverbrennung (zumindest über mehrere Tage, besser Wochen) mit begleitendem Produkt-Monitoring erforderlich. In einem Elektroniederschachtofen zur Calciumcarbidherstellung wurden die großtechnischen Untersuchungen zur rohstofflichen Verwertung von carbonfaserhaltigen Abfällen durchgeführt. Für den Einsatz im Carbidofen war eine spezielle Vorbereitung der carbonfaserhaltigen Abfälle notwendig. Unter Zusatz von Altkunststoff wurden vorzerkleinerte CFK-Abfälle eigens für die Messkampagne pelletiert. Im Carbidofen wurde ein weitgehender Umsatz der carbonfaserhaltigen Einsatzstoffe erzielt. Um als Verwertungsoption in Frage zu kommen, müssten allerdings die vorgelagerten Verfahren zur Aufbereitung des carbonfaserhaltigen Aufgabeguts optimiert werden. Des Weiteren ist zu beachten, dass ein Teil der zugeführten Carbonfasern mit dem Ofengas ausgetragen wird und diese gemeinsam mit den Rohstoffstäuben abgeschieden, granuliert und extern verwertet werden. Der Carbonfasergehalt in dieser Fraktion lag bei den Messungen zwischen 0,2 und 0,6 Ma.-%. Auch in dieser Fraktion konnten in geringer Menge (< 0,2 ppm) Fasern mit WHO-Charakteristik nachgewiesen werden. Aus den Ergebnissen des Projekts kann abgeleitet werden, dass sowohl die gezielte Entsorgung von Carbonfasern als auch deren Eintrag mit anderen Abfällen in Siedlungs- und Sonderabfallverbrennungsanlagen zu vermeiden ist. Auch die Entsorgung in Zementofenanlagen sollte zumindest solange unterbleiben, bis in Langzeitversuchen nachgewiesen wurde, dass ein relevanter Eintrag von Fasern in das Produkt Klinker ausgeschlossen werden kann. Die rohstoffliche Verwertung von carbonfaserhaltigen Materialien im Elektroniederschachtofen der Calciumcarbidherstellung ist prinzipiell möglich, erfordert allerdings eine aufwändige Aufbereitung der Einsatzmaterialen. Vorher sind zudem weitergehende Untersuchungen zur Optimierung der CFK-Zugabe in den Ofen durchzuführen, um den Faseraustrag mit dem Ofengas zu reduzieren. Als unmittelbare Maßnahme sollten geeignete separate Erfassungswege und Sortier- bzw. Aufbereitungstechniken für carbonfaserhaltige Rest- und Abfallströme etabliert werden. Dies ist die Voraussetzung für eine gezielte Bewirtschaftung und in deren Folge eine umweltverträgliche Entsorgung von CFK. Darüber hinaus sind weitere Forschungsarbeiten zur Verwertung in bestehenden oder neu zu entwickelnden Hochtemperaturprozessen erforderlich. Quelle: Forschungsbericht
Aufgrund der steigenden Anzahl an Anwendungen von carbonfaserverstärkten Kunstoffen (CFK) im Leichtbau steigt auch der CFK-haltige Abfall an. Da die CFK-Herstellung sehr energieintensiv ist, empfiehlt es sich, die CFK-Materialien nach Beendigung der Nutzungsphase zu recyceln, damit der positive Effekt (Energieeinsparung durch Gewichtsreduzierung) der CFK’s erhalten bleibt. Beim CFK-Recyclingverfahren werden die Carbonfasern wiedergewonnen und weiterverarbeitet. Das Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. beschäftigt sich mit der Wiederverwertung von Carbonfasern in Vliesgeweben. Untersuchungen zeigten, dass eine Vliesbildung mit 30 und 100 mm langen Rezyklatfasern durch mechanisches Kardieren möglich ist. Die Rezyklatfasern wurden durch Pyrolyse aus CFK-Abfällen gewonnen. Die Eigenschaften dieser Vliesstoffe entsprechen mittleren Festigkeitsanforderungen. Daraus ergeben sich mögliche Anwendungen wie beispielsweise im funktionsintegrierten Leichtbau, in der Sport- und Rehabilitationstechnik, im Freizeitbereich, im Bauwesen und in der Architektur.
Das Projekt "Windtec 1200 kW-cost/light-weight wind turbine" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Windtest Kaiser-Wilhelm-Koog durchgeführt. General Information/Objectives: The objective of the project is to develop a 3-bladed, 1.2 MW, variable speed, pitch controlled wind turbine, with (a) reduced tower head mass, (b) optimized energy yield for low wind speed regimes, and (c) improved logistics with strong emphasis on the erection of the turbine without crane. The combination of all these improvements are expected to lead to reduced costs of power production, whereby the goal is to produce electrical power for 0.038 ECU/kWh in a wind regime of 8 m/s at a hub height of 60 m. Technical Approach Above objectives are achieved by developing various new components as: (1) Improved variable speed power electrics on the basis of a doubly fed induction generator. (2) Integrated drive train design with the main target of reducing weight and costs. (3) Light weight rotor blade design, utilizing carbon fibre technology. (4) Optimized slip-form concrete tower designed to reduce costs and to improve the dynamics of the complete system. (5) Modular nacelle design including an on-board erectable crane system, which allows the nacelle and the rotor to be installed without an external mobile crane. After the engineering phase a prototype will be manufactured and installed in the eastern part of Austria. Loads and performance measurements will be performed and reported under the Scientific Measurement and Evaluation Programme (SMEP), which was developed for the WEGA-II machines. The analysis of the measurements will be the basis for (a) the validation of the design and the performance of the wind turbine, and (b) further improvements of the design. Expected Achievements and Exploitation The expected outputs of the project are: (1) Validation of software programs by comparing dynamic simulations with measurements. (2) Development of a variable speed power electrics system, which is highly efficient and at the same time very cost effective. (3) Development of a light weight rotor blade with high aerodynamic efficiency. (4) Improvement of the logistics for the installation of a MW-class wind turbine. The combination of all these features should lead to a wind turbine with substantially improved economics by guaranteeing excellent power quality. Prime Contractor: Windtec Anlagenerrichtung- und Consulting GmbH; Völkermarkt; Austria.
Das Projekt "MAI Carbon - MAIgreen - II-13" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von UPM GmbH durchgeführt. 1. Vorhabenziel Gesamtziel des UPM Teilvorhabens ist die Bereitstellung von gereinigten und modifizierten Ligninen, welche vom Projektpartner SGL in einem geeigneten Spinnverfahren zu Fasern und weiter zu anforderungsgerechten Carbonfasern umgesetzt werden können. Neben einer verglichen mit PAN-basierten Fasern deutlich positiven LCA, werden signifikant niedrigere Herstellungskosten angestrebt. 2. Arbeitsplanung Mehrere Herausforderungen sind zur Erreichung des Zieles zu bewältigen. Es wird hochreines Lignin in großtechnischen Maßstab benötigt, dabei muss sowohl die chemische Reinheit als auch die Freiheit von Partikeln, Gelen usw. hinreichend für die später gewünschten Carbonfasereigenschaften sein. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften dieser Lignine müssen für den Spinnprozess maßgeschneidert werden. Hierzu werden bestehende Prozesse zur Abtrennung der Lignine auf die Anforderungen der Carbonfaserherstellung angepasst und die gewonnenen Lignine durch verschiedene mechanische oder chemische Verfahren für den Einsatzzweck optimiert. Die Methoden sind teilweise bekannt und müssen in anderen Fällen erst noch entwickelt werden.
Das Projekt "NIP II: MaTaInH2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAHLE Filtersysteme GmbH durchgeführt. Der Drucktank ist ein Schlüsselelement der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie, um eine ausreichende Menge an Wasserstoff in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen für große Reichweiten zur Verfügung stellen zu können. Der hohe Nenndruck von 700 bar sowie die Leichtbauanforderungen für mobile Anwendungen erfordern den Einsatz von Kohlenstofffasern in einer Kunststoffmatrix. Zur Industrialisierung großer Volumen und Reduktion der Produktkosten verfolgt das Konsortium in diesem Projekt das Ziel den Material-einsatz und die Fertigungszeit zu reduzieren. Mittels eines neuartigen Prozessansatzes soll eine Lösung für die Großserienproduktion geschaffen werden. Im Rahmen des Projektes wird ein Typ-IV Wasserstoff-Drucktank entwickelt, im Wickelverfahren hergestellt und validiert. Die Prozesse können durch diesen Ansatz optimiert werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: Entwicklung und Bau von Bahnschwellen auf CFS Basis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Richter & Müller GmbH durchgeführt. Das Forschungsvorhaben untersucht die Möglichkeit mit Hilfe von neuen CO2-neutralen Materialiensystemen existierende Produkte herzustellen und marktfähig zu machen. Dafür werden die Entwicklungen und der Bau einer Brücke und einer Bahnschwelle vorgeschlagen. Jeweils 3 unterschiedliche Lösungswege und deren Arbeitspläne werden betrachtet. Für die Bahnschwelle werden 3 unterschiedliche Bauformen von Bahnschwellen entwickelt und untersucht. Die verwendeten Materialien umfassen Granit oder Basalt, Beton und Carbonfasern: - Bahnschwelle rein aus Granit (Basalt) und Carbon, massive Bauweise - Bahnschwelle aus Granit (Basalt) und Carbon in filigraner, materialoptimierter Bauform - Die Bahnschwelle in massiver Bauform mit Kern aus Beton und Armierungs-Strukturen aus CFS als Zuggurt unten und oben in der Schwellenstruktur Verglichen werden alle drei Formen der Bahnschwelle aus CFS-Strukturen und Beton mit der jeweils baugleichen oder ggfls. bauähnlichen Schwelle aus Beton und Stahlarmierung. Müller & Richter wird zusammen mit dem Labor für Stahl- und Leichtmetallbau GmbH (LSL) die Bahnschwelle entwickeln, unter Mithilfe der HS Münschen und des Unterauftragnehmers TCT, welcher die Materialkombination CarbonFaserStein (CFS) herstellt und die Dimensionierung und Simulation des CFS Materials beherrscht und den ersten Prototypen der Bahnschwelle gebaut hat. Entsprechende Unteraufträge müssen für die Mitwirkung an TCT vergeben werden. Bei dieser Entwicklung wird der Partner DB-Systemtechnik bereits zu Beginn des Projektes eng mit eingebunden. Für den Abschluss des Projektes wird DB-Systemtechnik die beiden aussichtsreichsten Kandidaten der entwickelten und gebauten Prototypen der Bahnschwelle dem Real-Test unterziehen (Betriebsfestigkeitsversuch mit den Lastschrieben, welche die DB Systemtechnik über Jahre aufgezeichnet hat), der im Zeitraffer einem Testzeitraum von 25 Jahren Liegezeit der Schwelle entspricht.
Das Projekt "Teilprojekt 1-3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, Professur für Systemleichtbau und Mischbauweisen durchgeführt. Um das hohe Tragfähigkeitspotential gezielt ausnutzen zu können, wird im Rahmen dieses Verbundvorhabens eine auf die neue Carbonbetonbauweise angepasste Bewehrungsstabprofilierung erarbeitet und beispielhaft umgesetzt. Hierbei steht insbesondere die konstruktive Gestaltung der Carbonfasern für einen ausreichenden Form- bzw. Kraftschluss zur Sicherstellung der Verbundwirkung unabhängig vom Matrixmaterial im Mittelpunkt des Projektes. Die bereits in den Basisvorhaben erarbeiteten grundlegenden Bewehrungsstabstrukturen sollen dabei sowohl weiterentwickelt als auch durch neue innovative Oberflächenstrukturierungen ergänzt werden. Durch eine angepasste Weiterentwicklung der Fertigungsverfahren sollen die hohen Eigenschaftspotenziale der Carbonfasern weiter ausgenutzt und so das Eigenschaftsspektrum für eine Anwendung im Bauwesen gezielt erweitert werden. Die Arbeiten sollen die anschließende Überführung der entwickelten und erprobten Stabstrukturen in produktnahe Anwendungen ermöglichen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Optimierte rCF-Garne für den In-Situ-Prozess" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Wagenfelder Spinnereien GmbH durchgeführt. Verbundwerkstoffe bestehen im Allgemeinen aus zwei Komponenten: einem Matrixwerkstoff und einer Verstärkungsstruktur. Ziel der Wagenfelder Spinnereien GmbH ist die Herstellung eines Stapelfasergarns aus recyclierten Carbonfasern, das bei der In-Situ-Pultrusion in Matrixharz eingebettet wird und so das eigentliche Produkt, den Faserverbundkunststoff bildet. Dabei werden die Stabeigenschaften maßgeblich von der Qualität der Verstärkungsfasern, der Matrix und des Pultrusionsprozesses beeinflusst. Bei der Entwicklung eines Verfahrens inkl. der benötigten Werkzeuge zur Garnherstellung sollen die Anforderungen der weiteren Verarbeitung des Garns bzgl. der Prozessfähigkeit und der sich einstellenden Eigenschaften des Endproduktes berücksichtigt werden. Bei dem Spinnen des Stapelgarnes werden neben den eigentlichen recyclierten Carbonfasern Trägerfasern und Umwindefäden benötigt, deren Einfluss auf die Grenzflächenhaftung zw. Verstärkungsfaser und Matrix untersucht und bewertet werden soll. Ziel ist es den Anteil an thermoplastischen Trägerfasern und Umwindegarnen am Carbon-Stapelfasergarn zu minimieren. Feuchte, die durch die In-Situ-Pultrusion eingetragen werden kann, stört die vollständige Polymerisation, wodurch die Festigkeit der Matrix des Pultrats reduziert wird. Ein weiteres Ziel ist es daher den Eintrag von Feuchte zu minimieren. Zur Sicherstellung einer gut ausgebildeten Faser-Matrix-Grenzfläche, d. h. des Verbundes zwischen Faser und Matrix, soll eine optimale Faserschichte, wie sie für Glasfasern bereits bekannt ist, entwickelt werden. Das Schlichtesystem soll ausgewählt und evaluiert werden. Zudem soll eine Auftragstechnologie für die Schlichte entwickelt werden.
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