Nachhaltige Rotorblätter: Können Flachs und Bambus das Recyclingproblem lösen?
Jährlich fallen Tausende Tonnen Rotorblatt-Abfall an. Ein Forschungsteam der HAW Kiel entwickelt nun Rotorblätter aus Flachs statt Glasfaser. Der Ansatz könnte Entsorgung und Klimabilanz deutlich verbessern.
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Nachhaltig: Rotorblatt während des Fräß-Vorgangs.
Foto: Oliver Maier Photography
Die Art und Weise des Recyclings oder der Entsorgung ist teils ungeklärt und noch Gegenstand aktueller Forschung."Sten Böhme, HAW Kiel
Rotorblätter von Windkraftanlagen stellen am Ende ihres Lebenszyklus die Hersteller vor ein enormes Entsorgungsproblem. Gefertigt aus glas- oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen, widerstehen sie jahrzehntelang extremen mechanischen Lasten, UV-Strahlung und schlechter Witterung. Aufgrund dieser speziellen Materialkombination können sie allerdings kaum recycelt werden. Allein in Deutschland fallen bereits heute jährlich bis zu 75.000 Tonnen Abfall aus Rotorblättern an. „Die Art und Weise des Recyclings oder der Entsorgung ist teils ungeklärt und noch Gegenstand aktueller Forschung“, sagt Sten Böhme von der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) Kiel. Das Problem sei derzeit ungelöst.
Was mit ausgedienten Rotorblättern geschieht, ist je nach Land unterschiedlich geregelt: Außerhalb Europas werden sie meist geschreddert und deponiert – also schlicht vergraben oder eingelagert. In Deutschland ist das seit 2009 strikt verboten. Sie zu verbrennen, ist freilich ebenfalls schwierig: Die Kunststoffe lassen sich zwar energetisch nutzen, doch Glas- und insbesondere Kohlefaserrückstände sind gesundheitsschädlich und beschädigen Filteranlagen. Ansätze des Komplettrecyclings – also der Trennung von Faser und Matrix – existieren zwar, sind aber technisch aufwendig und rechnen sich bislang nicht. Vor diesem Hintergrund wirkt die Idee, an der ein Forschungsteam der HAW Kiel rund um Böhme zusammen mit einem Jachtbau-Unternehmen arbeitet, wie eine notwendige Innovation: die Entwicklung von Rotorblättern aus nachwachsenden Naturfasern.
Nachhaltige Rotorblätter: Prototyp in Arbeit
Wir wollen zeigen, dass nachhaltige Rotorblätter sämtliche technischen Anforderungen erfüllen können."Sten Böhme, HAW Kiel
Der Impuls für das Projekt stammt aus dem Bootsbau – einer Branche, in der Holz-Sandwich-Bauweise und Naturfaserverbunde seit Jahrzehnten etabliert sind. Ziel der Projektpartner ist es, in den kommenden zwei Jahren im Rahmen einer Machbarkeitsstudie einen Prototyp für Kleinwindanlagen zu bauen, deren Rotorblätter eine Fläche von weniger als 200 Quadratmetern haben. „Wir wollen zeigen, dass nachhaltige Rotorblätter aus Flachsfasern und anderen nachwachsenden Rohstoffen sämtliche technischen Anforderungen erfüllen können und so einen wichtigen Beitrag für eine noch nachhaltigere Windenergie leisten“, betont Projektleiter Böhme. Erste Tests hätten die Forschenden positiv überrascht: Flachs erreichte dabei etwa ein Drittel der Festigkeit und rund die Hälfte der Steifigkeit von Glasfasern. „Für ein Naturprodukt ist das erstaunlich leistungsfähig“, so Böhme.
Machbarkeitsstudie: Maßstabsgetreues Modell eines aus Flachsfasern bestehenden Rotorblatts. Foto: Peter Schönhardt, HAW Kiel
Ganz neu ist der Ansatz nicht: Glasfasern in bestehenden Rotorblattdesigns durch Flachs zu ersetzen, wird schon seit einigen Jahren erforscht. Die Resultate waren eher bescheiden: Die Blätter waren zu flexibel und verfehlten die normativen Anforderungen klar. An diesem Punkt setzt das Forschungsteam aus Kiel an: Statt Naturfasern in ein bestehendes Konzept zu integrieren, soll das Blatt von Grund auf für nachwachsende Materialien zugeschnitten werden– von der Geometrie über den Laminataufbau bis hin zur Fertigung. Konkret soll das Rotorblatt des Kieler Teams laut Böhme an der Wurzel aus einem Hart- und einem Weichholzkern bestehen. Das Blattinnere werde aus laminiertem Balsaholz hergestellt, wobei die Holzfasern längs des Blattes ausgerichtet sind. Außen sollen mehrere Lagen Flachsfaser mit Epoxid verbaut werden.
Rotorblätter aus Naturfasern: leichter zu entsorgen und weniger Mikropartikel
Ökologisch liegen die Vorteile des Verfahrens auf der Hand: Die aus der Kulturpflanze Lein gewonnenen Flachsfasern benötigen im Gegensatz zum bisherigen künstlichen Werkstoff deutlich weniger Energie in der Herstellung und machen eine wesentlich einfachere Entsorgung möglich. Naturfaserverbunde lassen sich mechanisch leicht zerkleinern und nahezu rückstandsfrei verbrennen. Frühere Studien deuten zudem darauf hin, dass sie weniger Mikropartikel durch Erosion freisetzen – ein Aspekt, der bei konventionellen Rotorblättern bislang kaum Beachtung fand.
Windturbinenblätter aus Bambusfaser-Verbundwerkstoff weisen eine gute Festigkeit auf."Studie, American Institute of Physics
Flachs ist gleichwohl nicht der einzige nachwachsende Baustoff, der für künftige Rotorblätter infrage kommt. In Südostasien experimentieren mehrere Forschungsinstitute etwa mit Bambus. Eine beim American Institute of Physics 2023 veröffentlichte Studie indonesischer Forschender resümiert: „Aus unseren Simulationsergebnissen lässt sich schließen, dass Windturbinenblätter aus Bambusfaserverbundwerkstoff eine gute Festigkeit aufweisen. Bei geringen Belastungen können die Werte für Streckgrenze, Scherfestigkeit und Sicherheitsfaktoren die Eigenschaften von Turbinenblättern aus glasfaserverstärktem Kunststoff übertreffen.“ Das größte Potenzial beim Einsatz der Graspflanze Bambus wäre: Sie wächst schnell und besitzt hohe spezifische Festigkeiten – allerdings schwankt die reale Beschaffenheit von Bambus stark, was den Einsatz in sicherheitskritischen Großstrukturen erschweren könnte.
Nachwachsende Materialien sind nur bedingt witterungsbeständig
Für alle nachwachsenden Rohstoffe gilt indes ein Problem, das Ingenieure noch nicht gelöst haben: die Normung der Materialeigenschaften. Faktoren wie Temperatur, Niederschlag und Bodenbeschaffenheit beeinflussen Festigkeit und Steifigkeit nachwachsender Werkstoffe deutlich stärker, als es bei industriell hergestellten Fasern der Fall ist. Hinzu kommt die Feuchteempfindlichkeit von Naturfasern. Wie sich wechselnde Witterungsbedingungen im Langzeitbetrieb auswirken, wurde bislang nur unzureichend untersucht.
Bei Kleinwindanlagen sehe ich gute Möglichkeiten, Blätter aus Flachsfasern herzustellen."Sten Böhme, HAW Kiel
Das ökonomische Potenzial für nachwachsende Fasern in Rotorblättern von Windkraftanlagen bleibt daher erst einmal beschränkt. „Bei Kleinwindanlagen sehe ich gute Möglichkeiten, Blätter aus Flachsfasern herzustellen. Bei Großwindanlagen kann die Flachsfaser aufgrund der schlechteren mechanischen Eigenschaften Glas- oder Kohlefaser wohl langfristig nicht komplett verdrängen“, sagt Böhme. Er betont aber zugleich, dass der erhöhte Einsatz von Flachs anstelle von Glasfaser bei Rotorblättern „die Herstellung und Entsorgung entscheidend nachhaltiger gestalten“ würde.
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