Das Fraunhofer ICT stellt aus recycelten, klein gehäckselten Carbonfasern (oben) Bipolarplatten (unten) für Batterien und Brennstoffzellen her.

Neue Energie für das Faserrecycling

Recycling

Carbonfaserverbünde stellen für das Kunststoffrecycling oft ein im Wortsinn unlösbares Problem dar. Am Fraunhofer ICT verfolgt man eine neue Strategie für die weitere Verwendung.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gewinnen in Bauteilen von Fahrzeugen und in anderen Bereichen immer weiter an Bedeutung. Ihr steigender Einsatz verlangt aber auch nach Lösungen, wenn die Teile einmal ausgemustert werden. Am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem rezyklierte Kohlenstofffasern in Werkstoffe für Batterien und Brennstoffzellen überführt werden können. Auf diese Weise werden Kosten gespart, die CO₂-Bilanz verbessert und neue Verwertungswege in der Flugzeugproduktion eröffnet.

ict_carbon_2 -web„Die Nachfrage nach Recycling nimmt ständig zu.“, stellt Elisa Seiler vom Fraunhofer ICt fest. Sie will die Pyrolyse-Technologie für CFK weiterentwicklen.
Foto: Fraunhofer ICT

Moderne Großraumflugzeuge bestehen heute bereits zu über 50 % aus CFK. Das Material ist beispielsweise großflächig in Tragflächen oder im Rumpf verbaut. Der Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, ist leichter als bisher verwendete Materialien, gleichzeitig jedoch sehr stabil. Der entscheidende Vorteil für die Luftfahrt sind das geringe Gewicht und damit Einsparungen beim Teibstoffverbrauch. „Das Herstellen und Verarbeiten der CFK ist aktuell noch sehr aufwendig.

Die Nachfrage nach nachhaltigen Recyclingkonzepten nimmt daher stetig zu“, stellt Elisa Seiler fest, Wissenschaftlerin am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT im badischen Pfinztal. Die theoretisch zur Verfügung stehenden Mengen an CFK-Recyclingmaterial sind durchaus relevant. Bei einem Airbus 350 beispielsweise sind es über 65 t. „Hinzu kommen weitere relevante Ausschussmengen, die bereits bei der Produktion entstehen“, ergänzt Seiler.

Das Fraunhofer ICT hat eine langjährige Erfahrung bei der Entwicklung von Technologien für faserverstärkte Kunststoffe. Auf der ILA, der Innovationsmesse der Luft- und Raumfahrt, stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Konzept vor, mit dem sich aus rezyklierten Kohlenstofffasern Werkstoffe für Batterien und Brennstoffzellen gewinnen lassen. Zusammen mit Partnern gelang es, aus zurückgewonnenen Kohlenstofffasern eine Bipolarplatte – eine Elektrode – im Industriemaßstab prototypisch zu fertigen.

„Elektrische Antriebe sind mittlerweile auch in der Luftfahrtbranche ein ernsthaftes Thema. Hersteller können hier direkt werterhaltendes Recycling betreiben, indem sie Werkstoffe von einer Anwendung in die nächste überführen“, hebt Seiler hervor. Die Carbonfasern sind elektrisch leitfähig und eignen sich als Ersatz für natürliches Grafit, das ebenfalls aus Kohlenstoff besteht. Ein für die deutsche Wirtschaft wichtiger Rohstoff, der derzeit teuer aus China importiert werden muss.

Futter für den 3D-Druck

Ein weiterer Vorteil: Die rezyklierten Fasern lassen sich für additive Fertigungsverfahren wie den 3D-Druck verwenden. „Das ist ebenfalls ein Trendthema der Branche, mit dem sich Produktionsprozesse effizienter gestalten und Kosten sparen lassen“, sagt Seiler. Schließlich müssen sich auch Flugzeugbauer an die seit 2015 geltenden Vorgaben der Europäischen Union (EU) halten: Bis zu 85 % des durchschnittlichen Gewichts eines Altfahrzeugs müssen stofflich wiederverwertet werden. Außerdem ist in Deutschland die Deponierung von CFK verboten und Müllverbrennungsanlagen können die Annahme verweigern.

Pyrolyse mit Mikrowellenstrahlen

Die CFK-Experten aus Pfinztal entwickelten ein spezielles Verfahren, mit dem sich Carbonfasern aus der Kunststoffmatrix zurückgewinnen lassen. Dabei verbrennen sie mit Mikrowellenstrahlen die Kunststoffmatrix, die die Fasern umhüllt. Damit die Fasern bei Temperaturen von bis zu 900 °C nicht verglühen, muss die Verbrennung ohne Sauerstoff ablaufen. „Im Fachjargon nennt sich das pyrolytische Zersetzung“, erklärt Seiler. „Bei der Verbrennung von duroplastischer Kunststoffmatrix entstehen Rauchgase, die einer Nachverbrennung zugeführt werden müssen, bevor sie in die Atmosphäre gelangen, dafür gibt es aber bestehende Technologien im großen Maßstab, die genutzt werden können.“

Ersatz für Grafit

Der Vorteil der Mikrowellenstrahlung liegt in der Energieeffizienz – nicht ein ganzer Ofen muss erhitzt werden, sondern nur das Bauteil selbst. In der Abteilung Polymer-Engineering am Fraunhofer ICT werden die wiedergewonnenen Fasern dann in thermoplastischen Kunststoff eingebettet. Dieses Verbundmaterial besitzt ähnliche Eigenschaften wie Grafit und eignet sich zur Fertigung von Bipolarplatten. „Unser Prototyp hat alle Tests zur Leitfähigkeit, Dichte und Korrosionsbeständigkeit einwandfrei bestanden“, berichtet Seiler.

Nächste Schritte des Projekts

„Wir haben nachgewiesen, dass es generell machbar ist, aus rezyklierten CFK-
Fasern Bipolarplatten für Batterien und Brennstoffzellen herzustellen. Das zeigt, dass Recycling im ganzheitlichen Ansatz funktioniert. Das ist gerade für die Luftfahrtbranche interessant“, fasst Seiler den Mehrwert der Forschungsarbeiten zusammen. Auf der ILA zu sehen sind sowohl die rezyklierten CFK als auch die daraus gefertigten Bipolarplatten. Als nächste Schritte stehen bis Frühsommer die Charakterisierung der Bipolarplatten im Batteriezellverbund und Untersuchungen zur Ökobilanz an.

65 t CFK sind allein in einem Airbus A350 verbaut. Bis zum Jahr 2024 sollen einer Ceresana-Studie zufolge weltweit kanpp 9,98 Mio. t CFK verbraucht werden – Zeit, Lösungen für Recycling zu finden.

„Dann wollen wir die Technologie so tunen, dass wir Bipolarplatten in Serie aus rezyklierten CFK herstellen können – zum Beispiel zusammen mit einem Partner aus der Luftfahrtbranche“, schließt Seiler. Allerdings ist es bis zur großseriellen Anwendung ist noch ein ganzes Stück Weg: „Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde die Pyrolyse von CFK mit Mikrowellen im Labormaßstab (Grammbereich) durchgeführt. Ein Upscaling ist technisch nicht ganz einfach und bedarf weiterer Förderung, da die Mikrowellenleistung einen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis, also das Rezyklat, hat.“

Autor: Philipp Lubos

Aufmacherbild: Fraunhofer ICT