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Rasant wachsender Recyclingbedarf

Das Carbon-Zeitalter beginnt

Quelle: BMW Group

Quelle: BMW Group

Der Leichtbauwerkstoff CFK ist stark im Kommen, vor allem im Automobilbau. Unternehmen wie BMW stellen daraus Fahrgastzellen her. Die Recyclingmöglichkeiten sind allerdings noch begrenzt. Großindustrielle Recyclinganlagen gibt es bislang nur wenige.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind der Leichtbauwerkstoff der Zukunft. Seine Vorzüge sind so groß, dass er aus der Luft- und Raumfahrt nicht mehr wegzudenken ist. Auch für Elektrofahrzeuge ist der extrem stabile, aber leichte Werkstoff das Material schlechthin.

Automobilhersteller wie BMW sind daher überzeugt, dass der zukünftige Einsatz von CFK die Automobilindustrie grundlegend verändern wird. BMW marschiert bei dieser Entwicklung vorweg und hat mit dem i3 das erste Automobil produziert, dessen Fahrgastzelle hauptsächlich aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff besteht. Das Problem ist jedoch, dass das Recycling noch sehr aufwendig ist. Großtechnisch wirtschaftliche Recyclingtechnologien sucht man fast vergebens. Somit besteht schon heute ein akutes Entsorgungsproblem für das Material der Zukunft.

Was das Recycling von Carbonfasern erschwert, sind die komplexen Materialverbunde und Aufbauten. CFK-Werkstoffe liegen zum Teil als Monofraktionen, als gemischte Abfälle oder als Mischmaterial mit Glasfasern und/oder Metalleinlagen vor. Die Herausforderungen beim CFK-Recycling liegen in der Freilegung der Fasern, ohne diese zu schädigen, sowie in der Aufbereitung der Fasern, so dass diese wieder in neue Produkten eingesetzt werden können. Schwierigkeiten bereitet außerdem die Entwicklung von marktfähigen Produkten und Halbzeugen beziehungsweise Zwischenprodukten, die den Eigenschaften der ursprünglichen Carbonfaser nahe kommen.

10.000 CFK-Abfälle pro Jahr

Derzeit liegt der weltweite Bedarf an Carbonfasern bei 50.000 Tonnen pro Jahr. Prognosen zufolge soll der globale Bedarf bis 2020 auf 100.000 Tonnen ansteigen. Aus dem steigenden Bedarf an Multimaterialsystemen mit CFK-Fasern ergibt sich zwangsläufig, dass immer mehr ausgediente Produkte als Abfall anfallen werden – mit einem produktspezifisch sehr unterschiedlichen Zeitverzug.

Kosten eines Aluminium- oder Carbonteils im Vergleich zu einem Stahlteil im Jahr 2010 und Prognose für das Jahr 2030 „CFK-Materialien sind aber nicht erst ein End-of-Life-Problem“, betont Tim Rademacker, Geschäftsführer von CFK Valley Stade Recycling. Die CFK Valley Stade Recycling, ein 100prozentiges Tochterunternehmen des Umwelt- und Entsorgungsdienstleister Karl Meyer Gruppe, hat 2011 eine der ersten industriellen CFK-Recyclinganlagen weltweit in Betrieb genommen. Schon heute fallen jede Menge Produktionsabfälle an. „Diese machen bei der Herstellung von Neuprodukten zwischen 20 und 30 Prozent aus.“ Bei der derzeitigen Menge an CFK-haltigen Neuprodukten sind das gut 10.000 Tonnen CFK-Abfälle jährlich, die entsorgt und recycelt werden müssen; Tendenz stark steigend.

Diesem Aufkommen stehen aktuell nur wenige Recycling- und Wiederaufbereitungskapazitäten gegenüber. Derzeit laufen vor allem einige Forschungsvorhaben. So werden Recyclingverfahren und Anwendungsmöglichkeiten für CFK unter anderem im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes MAI Carbon  erarbeitet. Auch im europäischen Ausland beschäftigen sich Wissenschaftler mit der Gewinnung von Kohlenstofffasern aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen, unter anderem an der Universität von Nottingham. Finanzielle Unterstützung bekommen die britischen Forscher vom Flugzeugbauer Boeing. Statt der üblichen CFK-Zerlegung durch Hitze setzen sie auf sogenannte überkritische Fluide als Lösungsmittel. Auf diese Weise könnten sogar Chemikalien aus der Polymermatrix wiedergewonnen werden.

Nur verharren all diese Forschungsprojekte noch im Uni-Labormaßstab. Eine automatisierbare Recycling-Prozesskette, die alle notwendigen Verfahrensschritte wie die Demontage, Sortierung und eventuelle Zerkleinerung der anfallenden CFK-Teile sowie die Freilegung, Aufbereitung und Wiederverwendung der Carbonfasern in einer Größenordnung von mehreren tausend Jahrestonnen umfasst, ist noch nicht verfügbar. Eines der am weitesten fortgeschrittenen Unternehmen ist CFK Valley Stade Recycling. Diese hat mit ihrer Anlage die großtechnische Reifeprüfung bereits abgelegt und eine Kapazität von rund 1.000 Jahrestonnen. Laut Rademacker ist die Anlage nahezu ausgelastet. Damit sind die Stader weltweit die einzigen neben ELG Haniel in Großbritannien, die kommerziell und in diesem Maßstab Carbonfasern aus Verbundwerkstoffen zurückgewinnen und aufbereiten.

Geschlossene Kreisläufe bei BMW

Die BMW Group geht derweil eigene Wege. Bereits bei der Entwicklung der i3-Reihe hat der Autohersteller über den Produktzyklus hinausgedacht und verschiedene Recycling- und Verwertungskonzepte für CFK untersucht und bewertet. Mittlerweile hat BMW geschlossene Kreisläufe für das Recycling von CFK sowohl für Reste aus dem Produktionsprozess als auch für komplette CFK-Karossen am Ende des Lebenszyklus entwickelt.

Fahrgastzelle BMW i3
BMW Group
BMW Group

Fahrgastzelle BMW i3

„Dabei haben wir uns als Ziel gesetzt, den Verschnitt, der in den Produktionsprozessen anfällt, in unseren eigenen Produkten hochwertig wieder einzusetzen“, sagt Kai Zöbelein, Pressesprecher Nachhaltigkeit bei der BMW Group. „Bisher waren die Reste des hochwertigen Materials nicht optimal zu nutzen. Nun aber haben wir ein weltweit einmaliges Verfahren entwickelt, mit dem wir die Fasern im Rohmaterialverschnitt wieder ausrichten können.“

Der Rohmaterialverschnitt, also überschüssiges trockenes Material, das während der Produktion anfällt, wird bei BMW aufgefangen. Der „trockene“ Verschnitt geht an SGL Automotive Carbon Fibers (ACF) – einem Joint Venture der SGL Group und der BMW Group – nach Wackersdorf und wird dort zerkleinert. Dann werden die Fasern wieder ausgerichtet, zu einem hochwertigen Textil aufbereitet und der CFK-Prozesskette wieder zugeführt. Und zwar dort, wo das jeweilige Belastungsprofil es erlaubt. Denn die recycelten Carbonfasern kommen nicht ganz an die Qualität und Eigenschaften der ursprünglichen Carbonfasern heran.

10 Prozent Carbonfaser-Anteil

Bereits der BMW i3 hat einen deutlichen Anteil an Recyclingmaterial in Strukturbauteilen der Karosserie, beim Dach oder auch in der Rücksitzbankschale. „Diese rund zehn Prozent der beim BMW i3 eingesetzten Carbonfasermenge aus recyceltem Material sind weltweit einmalig und ein großartiges Ergebnis“, sagt Zöbelein. Damit reduzieren sich nicht nur das Fahrzeuggewicht und der Einsatz von Neuware. Damit erarbeitet sich BMW wiederum auch Kostenvorteile. „Unsere Entwicklung hat darüber hinaus das Ziel, dass wir auch imprägniertes Abfallmaterial – also Material, das schon benetzt ist, bei dem also schon Harz im Spiel war – wieder ausrichten zu können. Auch dieses ausgehärtete Material lässt sich recyceln und wieder dem Prozess zuführen.“

BMW i3
BMW Group
BMW Group

BMW i3

Das ausgehärtete Material geht zur CFK Valley Stade Recycling, die sich auf die Aufbereitung von verharztem Material spezialisiert hat. Im Recycling-Center werden europaweit eingesammelte CFK-Abfälle – Produktionsabfälle, Fehlchargen und End-of-Life Bauteile – in einem aufwendigen Sortier- und Aufbereitungsprozess für den weiteren Recyclingablauf vorbehandelt. Im Anschluss werden die Carbonfasern mittels eines weiterentwickelten und mehrstufigen Pyrolyseverfahrens vollständig aus der Kunststoffmatrix extrahiert. „Zurückgewonnen wird eine qualitativ hochwertige Carbon-Kurzfaser, deren Zugfestigkeitseigenschaften der einer Neufaser entsprechen“, erklärt Rademacker. Durch das abschließende Veredelungsverfahren werden die freigelegten Kohlenstofffasern zu qualitativ hochwertigen Halbzeugen verarbeitet.

Suche nach neuen Anwendungen für recycelte Carbonfasern

„Das Recycling ist nicht das Problem“, sagt Rademacker, „sondern die Akzeptanz von recycelten Carbonfasern.“ Daher will er mit seinem Unternehmen am liebsten weg vom Image des Anbieters von Recyclingdienstleistungen. „Wir wollen nicht eine Dienstleistung anbieten, sondern ein hochindividuelles Produkt, das zu 100 Prozent den jeweiligen Kundenanforderungen entspricht.“

Für diese Produkte sucht Rademacker neue Anwendungen und potenzielle Anwender. Typischerweise werden die recycelten Carbon-Kurzfasern im Bereich der Leichtbauindustrie als Verstärkungskomponente in Kunststoffteilen oder bei Spritzgussanwendungen eingesetzt. Durch die hohe Qualität der Produkte könnten sich aber auch neue Anwendungsfelder außerhalb der Leichtbauindustrie eröffnen. Zum Beispiel würden in Gehäusebauteilen elektrischer Geräte eingesetzte Carbon-Kurzfasern eine höhere Leitfähigkeit erzielen. Auch im Maschinenbau und in der Automobilindustrie erhofft sich das Unternehmen viele neue Anwendungsmöglichkeiten.

Die Suche nach neuen Anwendungen für recycelte Carbonfasern treibt auch BMW und SGL ACF um. Letztere haben einen eigenen Bereich etabliert, um Anwendungen für recyceltes Carbon-Material außerhalb der Automobilindustrie zu entwickeln und vermarkten. Für BMW-Pressesprecher Zöbelein wäre unter anderem eine Verwendung als Dämmmaterial in anderen Industrien denkbar. Die Zementindustrie sei ebenfalls Abnehmer für Carbon-Reststoffe.

„Darüber hinaus entwickeln wir derzeit in vielfältigen Technologieprojekten weitere Einsatzgebiete für recycelte Kohlefasern“, erzählt Zöbelein. „Ziel ist es, künftig bestehende Materialsysteme wie glasfaserverstärkte Kunststoffe durch recycelte Kohlefasern zu ersetzen.“ Das geht aber nicht von heute auf morgen. Neben der Entwicklung von entsprechenden Automobilkomponenten müssen erst die passenden Fertigungs- und Aufbereitungsverfahren erarbeitet, getestet und freigegeben werden.

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