Verschiedene Bauteile aus carbonfaserverstärktem Kunststoff

Kunststoffe, die mit Kohlenstofffasern verstärkt werden (CFK), finden immer häufiger Verwendung in Fahrzeugen, Windrädern und Flugzeugen. Doch wie können die CFK-Produkte recycelt werden und warum ist das sinnvoll? Das erklärt dieser Artikel. - Bild: prakasitlalao - stock.adobe.com

| von Michaela Neuner und Julia Dusold
Aktualisiert am: 26. Aug. 2020

Rotoren von Windkrafträdern, Rahmen von Fahrrädern, Flugzeugteile, halbe Autos: Immer mehr Produkte enthalten den strapazierfähigen Leichtbau-Werkstoff Carbon. Die meisten Produkte aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) sind langlebig und stehen erst am Anfang ihrer Nutzungsphase. Soll sich der noch immer relativ junge Werkstoff durchsetzen, stellt sich allerdings bereits jetzt die Frage: Wie lässt sich das Recycling der Produktionsreste umsetzen und was passiert am Ende des Produktlebenszyklus?

Einfache Abfall-Wirtschaft wie Deponieren oder Verbrennen scheidet laut Experten aus, also muss eine technische Lösung her, um die Umwelt nicht oder zumindest weniger zu belasten. "Wie alle Abfälle mit einem Organik-Anteil von mehr als fünf Prozent dürfen auch Kunststoffe mit Carbonfasern nicht deponiert werden", erklärt Dr. Siegfried Kreibe, stellvertretender Geschäftsführer des Bifa Umweltinstituts in Augsburg. Zwar spricht nichts dagegen, sie stattdessen zu verbrennen, doch das sei diffizil.

"Müllverbrennungsanlagen in Deutschland nehmen keine CFK-haltigen Materialien mehr an", weiß Kreibe. Der Grund: Carbonfasern werden bei den üblichen Temperaturen und Verweildauern nicht komplett zerstört. Freigelegte, feine Faseranteile können auffliegen. Geraten die elektrisch leitfähigen Fasern in die Elektrofilter der Abgasreinigung, können sie dort Kurzschlüsse verursachen. Fallen die Filter aus, muss die komplette Anlage heruntergefahren werden.

Nahaufnahme von Kohlenstoffasern, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden
Das Thema Recycling muss bei CFK bedacht werden, da die Kohlenstofffasern bei der Müllverbrennung nicht komplett zerstört werden und sie nicht deponiert werden dürfen. Die Fasern im Bild stammen aus der Fertigung bei BMW: Dort werden Produktionsreste des Verbundwerkstoffs beispielsweise direkt wiederverwendet. So besteht das i3-Dach zum Beispiel aus Carbonfaser-Verschnitt. - Bild: BMW

Carbonfasern sind kein Müll: Warum Recyclen von CFK Sinn ergibt

Im Prinzip bleiben deshalb nur Wiederverwendung oder Wiederverwertung der CFK-Bauteile. Was auch aus anderen Gründen durchaus Sinn hat: Zum einen sind da die gesetzlich vorgeschriebenen, produktspezifischen Recycling-Quoten. So müssen von Altfahrzeugen mindestens 85 Prozent des Gewichts wieder verwendet oder stofflich verwertet werden. Zum anderen verbessert das Recycling die Ökobilanz des energieintensiv hergestellten Verbundwerkstoffs.

Auch ökonomisch betrachtet ist eine möglichst lange und umfassende Nutzung der teuren Fasern geboten. Daher beschäftigen sich einige Unternehmen, die den Verbundwerkstoff verarbeiten, sowie Recycling-Firmen mit dem Thema der Wiederverwertung des polymeren Werkstoffs.

Wie das CFK-Recycling beispielsweise funktionieren kann, erfahren Sie in diesem Video des VDI Zentrums für Ressourceneffizienz über die Karl Meyer AG:

Quelle: VDI Zentrum Ressourceneffizienz

Wie Daimler bei der CFK-Verarbeitung Abfall vermeidet

Bisher wird das Material sparsam eingesetzt: "Kohlefaser-Verbundstoffe sind aktuell noch erheblich zu teuer für die Großserie", sagt Daimler-Sprecherin Silke Kögler. Der Stuttgarter Autobauer verwendet Carbon in seinen Mercedes-AMG.

"Bei der Entscheidung, wo wir welches Material einsetzen, spielen das Gewicht, die Ökobilanz, die Wirtschaftlichkeit und vor allem die Anforderungen an die Bauteilfunktion eine wichtige Rolle", erklärt Kögler. In der Produktion setzt Daimler auf neue, Ressourcen schonende Technologien wie das 'Tailored Fiber Placement'. Bei dem noch in Entwicklung befindlichen Verfahren werden Faserverbundwerkstoffe so auf ein Trägersubstrat aufgetragen, dass die Orientierung der Fasern optimal auf die Kraftverläufe ausgerichtet ist. "Aufgrund der exakten Ablage der Fasern ist ein nahezu abfallfreies Arbeiten möglich", erwartet Kögler.

Wie BMW mit carbonfaserverstärktem Kunststoff umgeht

BMW ist Carbon für seine Volumenmodelle ebenfalls noch zu kostspielig. Dennoch ging es bei den E-Fahrzeugen bereits in Serie: So besteht im BMW i3 unter anderem die komplette Fahrgastzelle aus CFK und auch im für 2021 angekündigten iNext soll substanziell der Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff eingesetzt werden, verrät Unternehmenssprecher Wieland Brúch: "Wir wollen in der Reichweite noch einmal in neue Dimensionen vorstoßen und da wird CFK eine wichtige Rolle spielen."

Carbonfaserverstärkter Kunststoff erlaubt schlankere und vor allem leichtere Konstruktionen als Metall und senkt über ein geringeres Fahrzeuggewicht den Strombedarf für den Antrieb. "Wenn wir CFK einsetzen, können wir die gleiche elektrische Reichweite mit einer kleineren Batterie erzielen, und das rechnet sich, denn die Batterie ist das teuerste Teil in einem Elektrofahrzeug", erklärt Brúch.

Auch auf die Recycling-Frage hat BMW bereits Antworten. So gehen beispielsweise Produktionsreste des Verbundwerkstoffs direkt zurück in die Fertigung. "Prominentestes Beispiel ist das Dach des BMW i3. Es besteht komplett aus Carbonfaser-Verschnitt, also Material, das noch nicht mit Harz in Berührung gekommen ist", berichtet Brúch. Kohlenstofffaser-verstärkter Kunststoff bietet somit eine Verwendung über den ursprünglichen Zweck hinaus.

Trockene Kohlenstofffasern und mit Harz getränkte aber noch nicht ausgehärtete sogenannte Prepregs stellen laut AVK-Bericht derzeit 'den mit Abstand größten Anteil' der Abfallströme dar. Stark im Wachsen begriffen ist jedoch das Segment mit den fertigen Composites – von Ausschuss bis hin zu Produkten am Ende ihrer Lebensdauer. "Hierfür ist unser großes Thema der Kunststoffspritzguss mit Rezyklat", sagt Brúch. Die Mittelkonsole des aktuellen Mini wird bereits mit Granulat aus geschredderten CFK-Teilen gefertigt.

BMW i Produktion mit CFK
Bei BMW dienen Kunststoffe mit Carbonfasern bereits als Werkstoff für die Serienproduktion – allerdings nur bei den Elektrofahrzeugen. - Bild: BMW

Wie Kohlenstoff und Kunststoff wieder getrennt werden können

Ein anderer Recycling-Ansatz für diese Stoff-Fraktion ist das Trennen von Carbon und Kunststoffmatrix. Als großtechnisches Verfahren konnte sich hier bislang nur die Pyrolyse etablieren.

Während sich Kunststoff bereits bei spätestens 600 Grad Celsius verflüchtigt, zersetzen sich Kohlenstofffasern erst bei deutlich höheren Temperaturen. Die jährliche Kapazität der beiden größten Anlagen in Europa liegt bei insgesamt rund 4.000 Tonnen CFK jährlich, schätzt Siegfried Kreibe. "Die Unternehmen wären bereit auszubauen, aber der Markt gibt das noch nicht her", ist seine Beobachtung. Natürlich benötigt es dafür Energie.

Ein Problem ist die Menge: Zum einen gibt es schlicht und einfach noch nicht genügend Reststoffe, die recycelt werden könnten. Zum anderen bedeutet das Recyclen von Carbonfaser-Materialien immer Down-Cycling. Auch wenn die Eigenschaften der Einzelfasern denen von Neuware nahe kommen, ist Recycling-CF (rCF) doch ein anderes Material. Allein schon deshalb, weil Neuware in der Regel auf sortenreinen Endlosfasern basiert und rCF-Halbzeuge immer aus kurzen Fasern bestehen. Somit ist der Rohstoff dann in der Anwendung eingeschränkt.

Warum eine Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe nötig ist

"Die Recycling-Unternehmen warten derzeit auf die Spezifikationen von Kunden, was diese brauchen, während potenzielle Abnehmer gerne wüssten, welche Qualitäten zu welchen Preisen auf längere Sicht zuverlässig im Angebot sein werden, bevor sie in die Produktentwicklung gehen", beschreibt Siegfried Kreibe das Dilemma. Was die Recycling-Quote angeht, ist er vorsichtig optimistisch: "Ich kann mir gut vorstellen, dass ein großer Anteil der vergleichsweise reinen CFK-Abfälle tatsächlich recycelt werden wird. Da passiert schon einiges. Aber es ist noch viel zu wenig."

Letztlich sind die natürlichen Ressourcen endlich. Nachdem die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe nicht nur für die Raumfahrt aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Festigkeit und ihrer mechanischen Eigenschaften - kurzum die positiven Eigenschaften der Faser - einen hohen Nutzen haben, müssen auch zur Vermeidung von Abfall zugunsten der Umwelt neue Wege für das CFK-Recycling entwickelt werden, damit nicht irgendwann Millionen Tonnen CFK im Müll landen.

Der Vorteil: Jedes Bauteil, das nicht der Entsorgung zugeführt wird, sondern einer Aufbereitung und stofflichen Verwertung ist als nachhaltig zu betrachten. Im Bereich Recycling steht Abfallvermeidung an erster Stelle, um den Wertstoff einer weiteren - möglichst umweltfreundlichen - Verwertung zuzuführen.

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