Composite-Recycling: Wertschöpfung aus Carbonfaser-Abfall

Im April 2016 schrieb ich eine Kolumne: „Können wir recycelte Carbonfaser sexy machen?“. Anlass war ein Dachpaneel am BMW i8 auf der North American International Auto Show in Detroit, das aus einem sichtbaren, klarlackierten Carbonfaser-Vlies bestand, das aus Verschnitt in BMWs Composite-Fertigung zurückgewonnen und wiederverwendet wurde. Damals zeigte dies erhebliches Vorwärtsdenken, da alle anderen sichtbaren Carbonfaser-Exponate auf der Messe Gewebe waren, die den klassischen Carbon-Look unter Klarlack ergaben.

Seitdem hat sich viel getan: Verschiedene Composite-Recycling-Technologien sind gereift und haben zahlreiche Anbieter hervorgebracht. Recycling hat auch Investitionen von Venture-Capital-Fonds und strategischen Investoren angezogen, z. B. Hexcel (Stamford, CT, USA) übernahm 2016 eine Beteiligung an Carbon Conversions Inc. (Lake City, SC, USA), und im Dezember 2018 kündigte Mitsubishi Corp. (Tokio, Japan) einen 25-%-Anteil an ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, UK) an. Vielleicht am bedeutendsten ist die wachsende Liste von Endanwendungen mit recycelten Composite-Materialien – von Schachtabdeckungen über Parkbänke bis zu Materialien für 3D-Druck.

Auf der CompositesWorld Carbon Fiber Conference im Dezember 2018 präsentierten Referenten von ELG, Vartega Inc. (Golden, CO, USA) und Composite Recycling Technology Center (CRTC, Port Angeles, WA, USA) Materialeigenschaften recycelter Composites (vergleichbar mit Neumaterial, so ihre Aussage) sowie bereits realisierte Endanwendungen, die signifikante Nachfrage erzeugen könnten.

Es gibt zwei Hauptziele beim Recycling von Composites und Composite-Abfall: Erstens, Abfall von Deponien fernzuhalten, und zweitens, und vielleicht wichtiger, Wege zu finden, diese Materialien in nützlichen (und profitablen) Anwendungen zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Aber welche Methoden erreichen welche Ziele, und welche eignen sich für welche Inputmaterialien? Um einen Dialog anzustoßen, schlage ich eine Kategorisierung der Recyclingtechnologien in sechs Stufen vor:

• Stufe 0 – Minimierung von Deponieabfall, angeführt durch verbesserte Materialausnutzung und Wiedereinbringung von Verschnitt in andere Produkte innerhalb derselben Composite-Fertigungsstätte. Dazu gehören Low-Waste-Prozesse wie Automated Tape Laying (ATL) und Automated Fiber Placement (AFP) von Trockenfaser und Prepregs, sowie Wiedervermahlen oder Zerkleinern von Verschnittstücken für den Einsatz in Kombination mit kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Materialien in Kernlagen, Spritz- oder Pressguss. Anwendbar auf Duro- und Thermoplaste, sollte Priorität für alle Verarbeiter haben.
• Stufe 1 – Repurposing von Abfallmaterialien, die auf Deponie gelangen würden. Dazu gehören gemahlene, gehackte und Vliesformen von Trockenfaserabfall, sowie die Verformung von unausgehärteten Prepregs, die abgelaufen oder out-of-spec sind, zu Produkten mit geringeren Leistungsanforderungen. Es gibt zahlreiche Faserschrott-Verarbeiter und mehrere „Repurposing“-Einrichtungen für Prepreg, wie das CRTC.
• Stufe 2 nimmt ausgehärtete Composites sowie Faserschrott und unausgehärtetes Prepreg, zerkleinert es und verbindet es mit zusätzlichen Harzen zu verschiedenen Paneelen und Produkten, die Metall, Holz und Beton ersetzen. Rohmaterial kann End-of-Life-Windradblätter, Boote, Flugzeug- und Automobilteile umfassen, kann Glasfaser, Kohlefaser oder Schaumkern sein. Global Fiberglass Solutions Inc. (Bothell, WA, USA) und GreenTex Solutions LLC (Charleston, SC, USA) sind zwei Unternehmen auf dieser Stufe.
• Stufe 3 gewinnt Fasern aus intermediären Produktformen wie unausgehärteten Duroplast- und Thermoplast-Prepregs zurück, wodurch Fasern mit Eigenschaften entstehen, die im Wesentlichen den Originalfasern entsprechen, allerdings hauptsächlich in diskontinuierlicher „Flocken“- oder Pelletform oder als Vlies. ELG und Carbon Conversions (beide Pyrolyse) sowie Vartega (Solvolyse) bieten Kohlefasern auf dieser Stufe an.
• Stufe 4 (ausgehärteter Composite-Schrott und Ausschussteile) und Stufe 5 (End-of-Life-Teile) ist der „Heilige Gral“ des Composite-Recyclings. Verfügbare Technologien umfassen Hochtemperatur-Pyrolyse (ELG und Carbon Conversions), nasschemischen Polymerabbau (Adherent Technologies, Albuquerque, NM, USA) und ein duales Energieerzeugungs-/Faserrückgewinnungs-Pyrolyseverfahren von CHZ Technologies (Auburn, AL, USA). Ökonomische Skalierung dieser Technologien wird für langfristigen Erfolg entscheidend sein.

Angesichts der Optionen sollten Composite-Verarbeiter Recyclingunternehmen als Teil der Composite-Lieferkette betrachten – genauso wie Faser-, Harz- und Prepreg-Lieferanten. Dazu müssen sie bereit sein, F&E-Mittel zu investieren, um diese sich entwickelnden Technologien zur Reife zu bringen. Im Dezember kündigte Boeing eine fünfjährige Vereinbarung mit ELG an, um seinen Composite-Abfall, ausgehärtet (Stufe 4) und unausgehärtet (Stufe 3), von 11 Fertigungsstandorten an ELG zur Kohlefaserrückgewinnung zu schicken. Das ist ein Anfang, und es ist Zeit, dass andere Hersteller nachziehen. Keine Ausreden erlaubt.