Forscher entwickeln Recycling-Methode für Rotorblätter von Windkraftwerken

Ein Forschungsteam der chinesischen Tsinghua University hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich ausgediente Rotorblätter von Windkraftanlagen in Siliziumkarbid und Graphen umwandeln lassen. Die sonst kaum zu recycelnden Rotorblätter können so sinnvoll in wichtige Industriestoffe überführt werden. Das Verfahren sei rentabel.

Windkraftanlagen haben nur eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer von etwa 20 Jahren. Danach müssen die Anlagen meist komplett neu aufgebaut, die Altteile entsorgt werden. Viele Bauteile landen dann auf Deponien, Ressourcen bleiben oft noch ungenutzt. Besonders die Rotorblätter stellen ein großes Problem bei der Entsorgung dar. Sie bestehen häufig aus einer Kombination von siliziumdioxidhaltigem Glasfasermaterial und kohlenstoffreichem Polymerharz. Der Materialverbund ist nötig, damit die Rotorblätter den widrigen Alltagsbedingungen wie UV-Strahlung der Sonne, Regen und Schnee sowie den mechanischen Belastungen über die Nutzungsdauer standhalten. Das Verbundmaterial lässt sich allerdings nur schwer wieder voneinander trennen. Der Aufwand und die Kosten sind entsprechend hoch.

Die Wissenschaftler der Tsinghua University nutzen Hitze, um Siliziumkarbid und Graphen aus den zerkleinerten Rotorblättern zu gewinnen. Beide Stoffe können in der Industrie weiterverwendet und dazu genutzt werden, um wieder neue Komponenten für Windkraftanlagen zu erstellen, wie sie in der Studie „Upcycling of waste wind turbine blades by electrothermal reduction toward circular resin composite applications“ schreiben, die in Chem Circularity erschienen ist.

Neue Stoffe mittels Hitzeverfahren

Die Forscher wenden dabei eine Flash-Joule-Erhitzung an, ein extrem schnelles, elektrisches Erhitzungsverfahren. Das Rotorblattmaterial wird damit innerhalb von wenigen Sekunden auf rund 2000 °C erhitzt. Diese Temperatur reicht aus, um eine Reaktion des Kohlenstoffs zu erzeugen, bei der Siliziumdioxid zu Siliziumkarbid umgewandelt wird. Dabei handelt es sich um ein sehr hartes, hitzebeständiges Material. Zugleich strukturiert sich dabei der Kohlenstoff zu Graphen um. Dieses Material ist ebenfalls hochfest und kann Strom und Wärme leiten.

Beide Materialien können in der Industrie weiterverwendet werden, schreiben die Forscher. Die Zugabe der Materialien zu anderen Werkstoffen verändert deren Eigenschaften, die ihren Nutzwert steigern können. Die Wissenschaftler haben dies am Beispiel der Erstellung neuer Komponenten für Windkraftanlagen durchgespielt. So kann bereits ein Prozentsatz von 0,3 Prozent von Siliziumkarbid und Graphen am Gesamtgewicht ein Harz steifer und fester machen. Das Harz ist so widerstandsfähiger gegen Verformungen. Die Zugbelastung stieg um 27 Prozent, die Biegebelastung um 9 Prozent. Bei einer Konzentration von 0,1 Gewichtsprozent erhöhte sich die Temperaturleitfähigkeit des Harzes um 41 Prozent. Wärme kann sich so im Material besser verteilen.

Das so neu strukturierte Harz kann etwa zur Erstellung neuer Rotorblätter mit verbesserten mechanischen und thermischen Eigenschaften verwendet werden.

Recycling mit Gewinn

Das von den Forschern angewendete thermische Recyclingverfahren sei sauberer und wirtschaftlicher als andere Recyclingmethoden. Bei der Pyrolyse etwa werden Polymere durch Hitze in Öl und Gas zerlegt, andere Methoden setzen chemische Lösungsmittel ein, um das Harz von den Glasfasern zu trennen. Die dabei entstehenden CO₂-Emissionen könnten durch das neue Verfahren im Vergleich zur Pyrolyse um 83 Prozent und im Vergleich zu chemischen Verfahren um 92 Prozent gesenkt werden, rechnen die Wissenschaftler vor.

Zudem kostet die Pyrolyse rund 460 US-Dollar pro Tonne, bei der chemischen Trennung sind es sogar 1800 Dollar pro Tonne. Der Verkauf von Siliziumkarbid und Graphen, beides wertvolle Industriestoffe, bringt dagegen noch Geld. Unterm Strich könnten etwa 80 Dollar pro Tonne als Gewinn übrig bleiben.

Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, das Verfahren auf einen industriellen Maßstab zu skalieren. Dafür suchen sie die Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Die dabei neu entstehenden Materialien können nicht nur zum Bau neuer Windkraftwerke genutzt werden, sondern auch in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und im Bauwesen.