Pyrolyseverfahren versprechen nachhaltiges Recycling von Faserverbundwerkstoffen aus Rotorblättern

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Nach 20 bis 30 Jahre haben Windenergieanlagen ihre Lebensdauer erreicht.
Anschließend werden sie abgebaut und dem Recyclingverfahren zugeführt.
Allerdings ist das Recycling der Faserverbundwerkstoffe, insbesondere aus
dickwandigen Rotorblattteilen, bislang unzureichend. Stand der Technik ist
die thermische oder mechanische Verwertung. Für einen nachhaltigen und
ganzheitlichen Recyclingprozess bündelt ein Forschungskonsortium unter der
Leitung des Fraunhofer IFAM ihr Know-how, um die eingesetzten Fasern durch
Pyrolyse zurückzugewinnen. Eine anschließende Oberflächenbehandlung und
Qualitätsprüfung der Rezyklate ermöglichen die erneute industrielle
Anwendung.

Windenergieanlagen lassen sich bereits heute zu sehr großen Teilen sauber
recyceln. Bei den Rotorblättern steht das Recycling jedoch erst am Anfang.
Aufgrund der Nutzungsdauer von ca. 20 Jahren sind in den kommenden Jahren
und Jahrzehnten steigende Rotorblattmengen zu erwarten, die einer
möglichst hochwertigen Verwertung zugeführt werden müssen. Im Jahr 2000
wurden beispielsweise ca. 6.000 Windenergieanlagen in Deutschland
errichtet, die jetzt zum Recycling anstehen. Insgesamt waren im Jahr 2022
allein in Deutschland etwa 30.000 Windenergieanlagen an Land und auf See
mit einer Leistung von 65 Gigawatt im Einsatz. [1]

Da die Windenergie die wichtigste Säule für eine klimaneutrale
Stromversorgung ist, hat sich die Bundesregierung zum Ziel gesetzt, den
Ausbau bis 2030 mit größeren und moderneren Anlagen weiter zu steigern.
Die Offshore-Rotorblätter werden länger, der Anteil an eingesetzten
Kohlenstofffasern wird weiter steigen – und somit auch die Abfallmengen.
Zudem ist für die Zukunft zu erwarten, dass der bestehende Materialmix in
den Rotorblättern zunimmt und zum Recycling genaue Kenntnisse über den
Aufbau der Komponenten noch wichtiger werden. Dies unterstreicht die
Dringlichkeit, insbesondere für das Recycling der dickwandigen
Faserverbundwerkstoffe in den Rotorblättern, nachhaltige
Aufbereitungsverfahren zu entwickeln.

Ökonomische und ökologische Recyclinglösung für Faserverbundwerkstoffe in
Sicht

Rotorblätter der jetzt zum Recycling anstehenden Windenergieanlagen setzen
sich mit über 85 Gewichtsprozent aus glas- und kohlefaserverstärkten
Duroplasten (GFK/CFK) zusammen. Ein großer Anteil dieser Materialien
befindet sich im Flansch- und Wurzelbereich sowie innerhalb der
faserverstärkten Gurte als dickwandige Laminate mit Wandstärken von bis zu
150 mm. Die Erforschung des hochwertigen stofflichen Faserrecyclings als
Endlosfaser ist nicht zuletzt wegen des Energiebedarfs zur
Kohlenstofffaserproduktion von besonderer Bedeutung. Hier setzt das vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Projekt
»Pyrolyse dickwandiger Faserverbundwerkstoffe als Schlüsselinnovation im
Recyclingprozess für Rotorblätter von Windenergieanlagen« – kurz »RE SORT«
– an. Ziel des Projektteams ist das vollständige Recycling mittels
Pyrolyse.

Voraussetzung für eine hochwertige Verwertung der Faserverbundwerkstoffe
ist die Trennung der Fasern von der zumeist duroplastischen Matrix. Die
Pyrolyse ist für diesen Prozess zwar ein geeignetes Verfahren, konnte sich
aber bislang nicht durchsetzen. Innerhalb des Projekts untersuchen und
entwickeln die Projektpartner daher Pyrolysetechnologien, die das
Recycling von dickwandigen Faserverbundstrukturen wirtschaftlich
ermöglichen und sich von den heute üblichen Verwertungsverfahren für
Faserverbundwerkstoffe technisch unterscheiden. Dabei werden sowohl eine
quasikontinuierliche Batch- als auch die Mikrowellen-Pyrolyse betrachtet.

Bei der Batch-Pyrolyse, die innerhalb des Vorhabens entwickelt wird,
handelt es sich um einen Pyrolyseprozess, in dem die duroplastische Matrix
dicker Faserverbundbauteile durch externe Erhitzung in ölige und vor allem
gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen langsam zersetzt wird. Bei der
Mikrowellenpyrolyse erfolgt die Energiezufuhr durch die Absorption von
Mikrowellenstrahlung, sodass es zu einer inneren schnellen
Wärmeentwicklung kommt. Die quasikontinuierliche Batch-Pyrolyse als auch
die Mikrowellenpyrolyse erlauben die Abscheidung von Pyrolysegasen bzw. –
ölen. Die geplante Durchlauf-Mikrowellenpyrolyse ermöglicht zudem den
Erhalt und die Wiederverwendung der Fasern in ihrer gesamten Länge.

Wie die Kreislaufwirtschaft gelingt – ganzheitliche Verwertung der
gewonnenen Recyclingprodukte

In einem nächsten Schritt werden die Oberflächen der zurückgewonnenen
Rezyklatfasern mittels atmosphärischer Plasmen und nasschemischer
Beschichtungen aufbereitet, um einer erneuten industriellen Anwendung
zugeführt werden zu können. Anhand von Festigkeitsuntersuchungen lässt
sich schließlich entscheiden, ob die Rezyklatfasern erneut in der
Windenergie oder beispielsweise im Automobilbau oder im
Sportartikelbereich Einsatz finden.

Die in der Batch- und Mikrowellenpyrolyse gewonnenen Pyrolyseöle und
Pyrolysegase werden bezüglich der Nutzbarkeit als Rohstoff für die
Polymersynthese (Pyrolyseöle) oder als Energiequelle zur energetischen
Nutzung in Blockheizkraftwerken (BHKW) (Pyrolysegase) bewertet.

Sowohl die quasikontinuierliche Batch-Pyrolyse als auch die Durchlauf-
Mikrowellenpyrolyse versprechen einen wirtschaftlichen Betrieb und eine
maßgebliche Verringerung des ökologischen Fußabdrucks bei der Entsorgung
von Windenergieanlagen. Daher stehen die Chancen für eine technische
Umsetzung und Verwertung der Projektergebnisse sehr gut, sodass mit diesem
Projekt ein entscheidender Beitrag zum Erreichen der Nachhaltigkeits- und
Klimaziele der Bundesregierung geleistet werden kann.

[1] Bundesverband WindEnergie e. V.

Förderung
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK
Förderkennzeichen: 03EE3075A-F
Projektträger: Projektträger Jülich (PtJ)

Projektpartner
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung
IFAM
Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES
Fraunhofer-Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut WKI
Nordex SE
BioProdukt Uthlede GmbH
Institut für Energie und Kreislaufwirtschaft an der Hochschule Bremen GmbH
ETW Energietechnik GmbH
Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH
Plasmatreat GmbH