Windkraft: Neues Kunstharz macht Rotorblätter recyclebar

Windenergie ist eine unverzichtbare Säule der Energiewende. Allerdings sind die aktuell verwendeten Windkraftanlagen nur bedingt nachhaltig. Die gute Nachricht: Bestandteile wie Stahl, Beton und andere Komponenten können nach der Betriebsdauer der Anlage, die zwischen 20 und 30 Jahren beträgt, effektiv recycelt werden. Für die Rotorblätter gilt dies jedoch nicht. Ein Team des National Renewable Energy Laboratory in den USA hat ein biobasiertes Kunstharz namens PECAN entwickelt, das die gleichen Eigenschaften aufweist wie die gängigen Rotor-Epoxidharze ist, aber wieder eingeschmolzen und wiederverwendet werden kann.

Windkraft-Rotoren sind nur schwer recyclebar

Die in Windkraftanlagen verwendeten Rotorblätter bestehen aus Faserverbundstoffen. Dabei handelt es sich um ein Mischmaterial aus Glasfasern oder Carbonfasern und Epoxidharz, das nur schwer wiedergewonnen werden kann. Die Rotorblätter werden nach der Betriebszeit dabei oft verbrannt, zerkleinert und als Betonzusatz verwendet oder einfach weggeworfen. Schätzungen zufolge werden weltweit bis zum Jahr 2050 etwa 43 Millionen Tonnen Rotorblattabfall auf den Müllhalden landen.

Die Forscher:innen rund um Ryan Clarke vom National Renewable Energy Laboratory in den USA haben sich daher auf die Suche nach einem Material gemacht, das ähnliche Eigenschaften wie die heute verwendeten Faserverbundstoffe aufweist, aber nachhaltiger und besser recyclebar ist. Dabei konzentrierten sie sich auf sogenannte Covalently Adaptable Networks (CAN). Dabei handelt es sich um Polymere, die beim Härten ähnlich stabile Netzwerke wie duroplastische Kunstharze bilden. Allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: Die kovalenten Bindungen der CAN-Polymere lösen sich ab einer bestimmten Temperatur wieder, was dem Recycling zuträglich ist.

Neues Kunstharz für Rotorblätter

Das Forschungsteam entwickelte ein biobasiertes Polyester-CAN (PECAN). Dieses verglichen sie dann mit RIMER-135, welches ein nicht recyclebares Epoxidharz ist, das quasi den Industriestandard bei der Rotorblattfertigung darstellt. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit des PECAN waren die Tests vielversprechend. Der neue Werkstoff ist ähnlich fließfähig und gut verarbeitbar wie das gängige Epoxidharz und härtet schneller aus. Bereits nach fünf Stunden bei einer Temperatur von 80 Grad hatten sich die Querverbindungen im Polymer ausgebildet. Im Falle von RIMER-135 muss der Werkstoff ein zweites Mal für ein bis zwei Stunden bei 120 bis 180 Grad ausgehärtet werden.

Dann ging es um die Frage, ob PECAN in Sachen Druckstabilität, Bruchfestigkeit und Witterungsbeständigkeit mit RIMER-135 mithalten kann. Auch diese Tests verliefen positiv. Das neue Kunstharz konnte ähnlichen Druck- und Zugkräften widerstehen wie RIMER-135 und war unter UV-Strahlung sogar beständiger. Besser war das Ergebnis von PECAN auch beim sogenannten Creep. Dieser bezeichnet die schleichende Verformung des Harzes durch die Umlagerung von Bindungen innerhalb des Polymernetzwerks. Der Creep von PECAN lag unter dem von RIMER-135. „Diese Unterdrückung des Creep trotz dynamischer Querverlinkung ist bemerkenswert„, so die Forscher:innen.

PECAN ist recyclebar

Die Recyclebarkeit des PECAN-Kunstharzes testeten die Forscher:innen an dem Prototypen eines neun Meter langen Rotorblattes. Dieses bestand wie auch gängige Rotorblätter aus einem Stützgerüst, Carbonfasern und einem Kunstharz als Matrix. Bei letzterem handelte es sich um PECAN. Die Forscher:innen zerteilten das Rotorblatt dann und erhitzten es unter Zugabe von Methanol und Säure auf 225 Grad Celsius. In Folge wurden die Polymerketten zerteilt und das Kunstharz schmolz.

In dem Testszenario konnten sowohl das PECAN-Kunstharz als auch die Carbonfasern wiedergewonnen werden. Gleiches galt für das Holz, das als Gerüst fungierte. Das recycelte Polymer und die Fasern waren auch gut genug erhalten, um wiederverwendbar zu sein. „Wenn man es richtig macht, ist das ein echter Kreislauf. Der PECAN-Ansatz für recycelbare Windkraft-Rotorblätter ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer Kreislaufwirtschaft für Energiematerialien„, so die Forscher:innen.

via National Renewable Energy Laboratory (NREL)