Nachhaltigkeit auch im America’s Cup ein Thema – Briten recyceln 1,2 Tonnen Kohlefaser

Das Kohlefaserproblem

Americas Cup Boot

Die Yachten des America’s Cup bestehen zum größten Teil aus Kohlefaser Bild: Ralph Hewitt/INEOS Team UK

Längst hat der Ruf nach mehr Nachhaltigkeit auch die Teams im America’s Cup erreicht. Im Dezember 2019 verkündete das britische INEOS Team UK um den mehrfachen Olympiasieger Ben Ainslie, dass sie zusammen mit ihrem Partner ELG Carbon Fibre, einem Spezialisten für das Recycling von Kohlefaser, bereits über 1,2 Tonnen Abfallmaterialien aus der laufenden AC-Kampagne wiederverwertet haben. Unter anderem entstanden aus den recycelten Materialien Auflageflächen der Böcke, wenn der AC75 an Land steht oder per Schiff transportiert wird.

Allgemein sehen Werften in einem verbesserten Recyclingprozess den bisher besten Ansatz, um nachhaltiger zu produzieren. Doch die High-Tech-Racer des America’s Cup bestehen schon lange nicht mehr als Holz, Aluminium oder GFK, sondern fast ausschließlich aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK). Der Vorteil ist das geringe Gewicht des CFK und seine Belastbarkeit. Es ist zugfester als Glasfaser oder gar Stahl, wiegt aber nur einen Bruchteil. Über den Daumen gepeilt kann ein Kilogramm CFK fünf Kilogramm Stahl ersetzen. Diese Eigenschaft macht Verbundteile aus Kohlefaser so interessant, denn es wird weniger Energie benötigt, um ein Objekt aus Kohlefaser zu bewegen, als eines aus Stahl. Neben dem Yachtbau wird CFK auch für Flugzeuge, Rennräder oder in Windkraftanlagen genutzt. In der Automobilbranche konnte CFK bis auf Ausnahmen bei E-Autos noch nicht Fuß fassen. Denn die Wunderfaser hat einen entscheidenden Nachteil: das Recycling ist aufwendig und teuer. In der Automobilbranche bremst so beispielsweise die gesetzlich vorgeschriebene Recycling-Quote eines Autos. Denn 85 Prozent des Gewichts müssen wiederverwendet werden. In der Produktion verschlingt Kohlefaser beispielsweise schon mehr Energie als Aluminium. Mit der schlechten Recyclingfähigkeit des Materials kommt so noch ein weiterer Faktor hinzu, der die Verwendung von CFK nur im extremen Leichtbau rentabel macht.

So entsteht Kohlefaser

Der Energieaufwand bei der Produktion von Kohlefaser ist enorm. Denn um puren Kohlenstoff zu erhalten, muss das Ausgangsmaterial (Polyacrylnitril, Teer oder Pech) auf 1.400 Grad Celsius erhitzt werden, um alle weiteren Bestandteile zu entfernen. So entsteht zum Schluss eine Endlosfaser aus reinem Kohlenstoff, die rechtwinklig miteinander verwoben wird. Doch selten werden diese Gewebe so direkt im Endprodukt weiterverarbeitet.

Kohlefaser im Bootsbau

Die Verarbeitung der Kohlefaser im Bootsbau erfolgt meist in Form von Prepregs. Hier handelt sich um mit Harz vorimprägnierte Kohlefasergewebe. In der Kühlkammer gelagert, reagiert das Harz nicht und härtet auch nicht aus. Erst unter Druck und hoher Temperatur beginnt das Aushärten. Solche Prepregs werden von Bootsbauern zugeschnitten auf oder in eine Form gebracht, mit Folien luftdicht verschlossen und unter Vakuum und Hitzeeinwirkung gehärtet. Das Endprodukt ist federleicht, aber stabil.

Vakuuminfusion im Bootsbau

Die Prepregs härten erst unter Druck und Hitze aus Bild: Jan Maas

Und bereits an diesem Punkt beginnt die Verwertungskette von CFK aufzuhören. Denn der Verschnitt ist nur bedingt oder für kleine Teile zu gebrauchen. Das meiste ist Abfall. Doch was soll mit Abfällen entstehen? In den Restabfall dürfen sie nicht.

Die Kohlefaser-Bombe

Kohlefaser hat noch eine weitere Eigenschaft, die von einer gewöhnlichen Entsorgung ausschließt: Es ist thermisch und elektrisch leitfähig. Das mag zuerst nicht spektakulär klingen, aber die Feinheit der Faser ist hier der entscheidende Faktor. Den macht sich das Militär unter anderem zu Nutze, um elektrische Anlagen wie beispielsweise Kraftwerke zur Abschaltung zu zwingen. Dazu werden mit einer Zerlegerladung feinste Kohlefasern in Form einer Wolke über dem Kraftwerk freigesetzt. Durch Lüftungsschlitze gelangen die feinen, leitenden Fasern ins Innere und gelangen in Schalttafeln oder Transformatoren und verursachen einen Kurzschluss, der schließlich zur Abschaltung der gesamten Anlage führt.

Aufgrund der leitenden Eigenschaften von Kohlefaser wird CFK von Müllverbrennungsanlagen in Deutschland nicht angenommen. Die Fasern überstehen die Verbrennung, werden aufgewirbelt und können unter Umständen die gesamte Müllverbrennungsanlage außer Gefecht setzen. Wohin also mit der Kohlefaser?

Das Recycling von CFK

Im Prinzip wäre es einfacher Kohlefaserverschnitt aus nicht behandelter Kohlefaser wiederzuverwerten. Bei BMW entsteht beispielsweise das Dach des i3 aus Kohlefaserverschnitt, allerdings bevor die Faser mit Harz in Berührung gekommen ist. Bei den meist verwendeten Prepregs oder alten Bauteilen aus Kohlefaser, die recycelt werden sollen, muss die Einheit aus Kunststoff und Kohlefaser wieder aufgehoben werden. Die bisher einzige Methode, die sich wirtschaftlich durchgesetzt hat, beruht auf der sogenannten Pyroloyse. Dieses Verfahren verwendet auch der Partner ELG Carbon Fibre des America’s Cup-Teams INEOS Team UK. In einem riesigen Schredder werden Teile aus CFK zerkleinert und in Öfen auf 1.100 Grad Celsius erhitzt. Der Kunststoff verflüchtigt sich, während die Kohlefaserschnippsel übrig bleiben. Diese zerkleinerten Kohlefasern lassen sich wieder in ein Harz einbringen. Allerdings ist das Endprodukt dann kein CFK mehr, da es die Eigenschaft der Endlosfaser verloren hat. Daher nennt sich recycelte Kohlefaser rCF und ist in den Eigenschaften und der Anwendung nicht mehr gleichzusetzen mit CFK. Vielmehr handelt es sich um ein Downcyling der Faser.

Testboot Americas Cup

Die Formen des Testbootes T5 bestanden Teilweise auch aus recycelter Kohlefaser Bild: Harry KH/INEOS Team UK

Daher besteht auch kein Bauteil der America’s Cupper aus recycelter Kohlefaser, sondern „nur“ Teile des Bocks und der Formen. Aber immerhin gehen die Briten einen Schritt in die richtige Richtung und versuchen alles aus dem Rohstoff herauszuholen. Sie setzen ihn dann halt nur in den Bereichen ein, die nicht direkt über das Rennen entscheiden werden.

Alan Boot, Naval Architect beim INEOS Team UK, sagt: “Die Technologie von ELG war ideal für die Anwendung der Auflageflächen. Die recycelten Materialien sind einfach zu handhaben, leisten gute Arbeit und passen direkt in unsere Produktionsprozesse. Als America’s Cup-Team hoffen wir, eine Vorreiterrolle zu übernehmen und anderen Herstellern zu zeigen, dass man Materialien nicht auf der Mülldeponie entsorgen, den Kreislauf schließen und die Fasern mit verblüffenden Ergebnissen wiederverwenden kann. Dies ist ein spielerisch veränderter Ansatz für die Herstellung von Produkten, an dem wir gerne teilnehmen.“

 

 

 

5 Kommentare zu „Nachhaltigkeit auch im America’s Cup ein Thema – Briten recyceln 1,2 Tonnen Kohlefaser“

  1. avatar Andreas Borrink sagt:

    Ein interessanter Artikel über ein Thema, das im Zeichen der Erderwärmung sehr aktuell ist. Danke dafür an den Autor!

    Allerdings sind aus meiner Sicht ein paar Ungenauigkeiten drin. Da ist zunächst einmal die Begrifflichkeit. Das, was die Briten da mit ihren nicht mehr benötigten CFK.Teilen machen, ist klassisches DOWNcycling. Im Gegensatz zum REcycling verlieren die Werkstoffe bei der Wiederverwertung einen Großteil ihrer guten Eigenschaften und sind nur noch für weniger hochwertige Teile zu gebrauchen. Streng genommen ist damit eigentlich fast jedes sogenannte Recycling ein Downcycling und das endet zwangsläufig nach mehreren Zyklen auf der Halde oder im Ofen (oder eben leider noch immer im Ozean). Hier ist eine internationale Regelung per Gesetz lange überfällig.

    Auch der Vergleich der Energieverbräuche bei der Herstellung hinkt. Unbestritten ist, dass die Herstellung von Kohlenstoffasern extrem hohe Temperaturen erfordert und sie damit im Vergleich zu klassischen Werkstoffen wie Stahl, Aluminium, Holz, Beton (je nach Anwendungsbereich) etc. zunächst schlecht aussehen. Erweitert man das Betrachtungsspektrum allerdings auf den gesamten Zyklus von der Rohstoffgewinnung bis zum Ende eines Bauteils, ändert sich das Bild zugunsten von CFK und Verbundwerkstoffen im allgemeinen. Wenn man dann noch in Betracht zieht, dass sowohl die Produktion der Rohstoffe als auch die Herstellung der Bauteile einer fortwährenden (auch energetischen) Optimierung unterliegt und die klassischen Werkstoffe hier einen großen Vorsprung haben, verschiebt sich das Bild weiter in zugunsten von CFK.

    Das passt allerdings nur dann, wenn es sich – wie im Artikel ganz richtig beschrieben – um bewegte Bauteile handelt. Nur da macht CFK einen Sinn – Dinge wie das immer noch moderne „Sichtcarbon“ auf Armaturenbrettern und Luftfilterkästen gehören nicht dazu.

    Über die Sinnhaltigkeit von America’s Cuppern aus Vollcarbon kann man trefflich streiten. Ähnlich wie in der Formel 1 kann man auf die Entwicklungsschübe und deren positiven Einfluss auf die Serientechnologie verweisen – ob das als Rechtfertigung für das technologische Wettrüsten allerdings reicht, mag jeder für sich selbst entscheiden. Eine schöne Geste sind die Lagerböcke der Tommies aus Downcyclat allemal.

    Das Internet bietet übrigens eine Vielzahl von Studien und Informationen zu diesem Thema – der interessierte Segler kann sich da einiges ergoogeln. Dies z.B., stellvertretend für zig ähnliche Studien:

    https://www.researchgate.net/publication/282853443_The_manufacturing_energy_intensity_of_carbon_fiber_reinforced_polymer_composites_and_its_effect_on_life_cycle_energy_use_for_vehicle_door_lightweighting

    Ein Tipp dazu: oft ist man schon recht gut im Bilde, wenn man sich auf die meist allgemeinverständlich gehaltenen „conclusions“ am Ende konzentriert.

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    • avatar Sven 14Footer sagt:

      Vielen Dank für diesen sachlich kritischen Artikel! Den habe ich gerne gelesen und viele wertvolle Informationen darin gefunden.
      Besonderen Dank an Andreas für seinen Kommentar: ohne Polemik die Meinung kundzutun und dann noch weitere Fakten und wertvolle Hinweise liefern. Das wünsche ich mir und lese es gern.

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    • avatar Kai Köckeritz sagt:

      Hallo Andreas,

      vielen Dank für Dein Feedback!
      Ich hatte gedacht, dass das Downcycling der Kohlefaser nach dem Recycling im letzten Abschnitt deutlich genug war. Das werde ich im Text noch etwas deutlicher machen.

      Was den Energieverbauch angeht, habe ich in mehreren Quellen den vergleich zum Aluminium gelesen udn daher auch in diesem Artikel verwendet. Ich werde mich da nochmal schlau machen.

      Beste Grüße und ein schönes Wochenende

      Kai Köckeritz

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      • avatar Andreas Borrink sagt:

        Das ganze ist ein sehr komplexes Thema und das allgemein verfügbare Fachwissen über Verbundwerkstoffe ist – im Vergleich zu den Metallen – verschwindend gering. Was klar ist, denn die “Composites” gibt es ja erst seit WW2, Metalle hingegen seit Jahrtausenden.

        Entsprechend unbalanciert sind die Lobbies. Niemand wir ernsthaft von einem “Metaller” erwarten, dass er sich für “Composites” begeistert….gerade hierzulande ist das Denken über den Tellerrand unter Ingenieuren und Entwicklern eine unbeliebte Disziplin.

        Gerade Aluminium und dessen Produktion ist eine Umweltsünde allererster Güte – auch dazu gibt es jede Menge Infos im Internet.

        Die nächsten Jahre werden zeigen, ob sich das Verhältnis zugunsten von gut auskonstruierten und ressourcenschonend produzierten Teilen aus Composites verschiebt und diese unglaublich vielseitigen Materialien endlich die Bedeutung bekommen, die sie m.E. schon lange verdient haben.

        Für unsere Umwelt wäre es nicht das schlechteste….

        Übrigens erzähle ich am 18.3. (19:00) zum Abschluß der SC-Vortragsreihe ein bißchen was über Carbon, Titel: “Carbon – schwarze Magie oder sinnvoller Fortschritt?” Da geht es allerdings mehr um Boote…..wer Lust hat, ist herzlich eingeladen!

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