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Allgemein

Karbonfasern – 70 % Zukunft und 30 % Müll?

By 31. July 2022No Comments

Karbonfasern sind einer der wohl vielversprechendsten Stoffe für die nahe Zukunft. Besonders in der Luftfahrt wird zunehmend auf das Material gesetzt, das trotz seines geringen Gewichts extrem widerstandsfähig und stabil ist. Moderne Flugzeuge wie der Airbus A350XWB, deren Bauteile aus Karbonfaser-verstärktem Kunststoff (CFK) inzwischen über 50 % des Gesamtgewichts ausmachen, sind im Vergleich zu anderen Flugzeugen leichter und haben einen wesentlich geringeren Treibstoffverbrauch. Aber auch in anderen Bereichen wie der Produktion von Autos, Fahrrädern, Raumschiffen oder Sportschuhen kommen Karbonfasern zum Einsatz, womit sie ihre umfassenden Einsatzmöglichkeiten beweisen.

 

Zur Herstellung von Karbonfasern wird der Stoff Polyacrylnitril stark erhitzt und anschließend diversen Druckverhältnissen ausgesetzt. So entstehen Karbonfasern mit einer Dicke von ca. 5 Mikrometern, welche man dann in Strängen aus mindestens 1000 Karbonfasern zusammenfasst (Rovings). Diese Rovings werden anschließend zu Geweben verbunden und können als Karbonfaserhalbzeuge weiterverarbeitet werden.

 

Der globale Markt für Karbonfasern lag im Jahr 2021 bei einem Wert von ca. 5.06 Mrd. Dollar und Prognosen gehen von einem anhalten Wachstum auf einen Gesamtwert von ca. 12.5 Mrd. Dollar im Jahr 2030 aus. Bevor Karbonfasern aber flächendeckend Anwendung finden können, müssen noch einige Hürden überwunden werden. Eines der größten Probleme ist hier der Ausschuss. Da die industrielle Herstellung von Karbonfasern vergleichsweise kurz aktiv betrieben wird, sind die Produktionsprozesse noch nicht vollständig optimiert und Ausschussraten von bis zu 30 % nicht unüblich. Das ist insofern kritisch, als die Produktion von Karbonfasern nicht nur sehr viel Energie benötigt, sondern der für die Karbonfasern benötigte Kohlenstoff aus Erdöl gewonnen wird. Damit verbunden sind natürlich auch alle Umweltschäden, die das Fördern von Erdöl mit sich bringt, weshalb es so wichtig ist, die jährlich neu produzierte Menge an Karbonfasern so gering wie möglich zu halten.

 

Im Jahr 2021, in dem weltweit ca. 114.100t Karbonfasern produziert wurden, bedeutet ein Ausschuss von 30 %, dass ca. 48.900t Karbonfasern als Ausschuss weggeschmissen werden mussten. Dabei stößt die Produktion von einer Tonne Karbonfasern ca. 20 Tonnen CO₂ aus und es wurden dementsprechend alleine für den Ausschuss bereits 978.000t CO₂ freigesetzt. Aber nicht nur die Umwelt bezahlt für den Ausschuss, sondern auch die Produzenten selber. Die Kosten, die während der Produktion von Karbonfasern entstehen, variieren dabei allerdings je nach zukünftigem Anwendungsbereich stark. Im Jahr 2020 wurden rund 10 % aller verkauften Karbonfasern in der Automobilindustrie verwendet. Überträgt man diese Zahl auf das Jahr 2021 ergibt das rund 11.410t, welche zusammen mit einem Ausschuss von weiteren 4890t produziert wurden. Bei Preisen von rund 22-26 $/kg sind also innerhalb eines Jahres defekte Fasern mit einem Marktwert von mindestens 107.580.000 $ produziert worden und das nur für die Automobilindustrie. In der Luftfahrt liegt die verwendete Menge mit 20 % sogar doppelt so hoch. Da Karbonfasern aufgrund wesentlich höherer technischer Anforderungen in der Luftfahrt auch um einiges teurer sind, kann man hier von sehr großen wirtschaftlichen Einbußen ausgehen.

 

Vor kurzem wurde ein großer Fortschritt beim Webprozess der Karbonfasern erzielt, als es der Weberei C. Cramer & Co. GmbH gelang einen Webstuhl zu entwickeln, der die Defektrate beim Weben um 94,9 % reduzieren konnte. Diese 94,9 % entsprechen laut eigenen Angaben einer Menge von 4.300 kg bezogen auf jährlich insgesamt verarbeitete 18t. Die gesamte jährliche Ausschussrate lag beim Webprozess also bei ca. 25 % und macht damit wohl den bis dato größten Teil des gesamten Ausschusses aus. Solche Entwicklungen werden entscheidend darüber sein, wie schnell große Mengen Karbonfasern in Produktionsprozesse eingebunden werden können. 

 

Durch die besonderen Eigenschaften von Karbonfasern sind sie in vielen verschiedenen Bereichen sehr nützlich, vor allem bei Sportgeräten, im Yachtbau sowie im erwähnten Automobilbau & der Luft- und Raumfahrt. Aber durch die nach wie vor relativ ineffiziente Produktion sind sie nicht nur teuer, sondern leider auch unter der schlechten Umweltbilanz durch den hohen Energieaufwand und die schlechte Wiederverwertbarkeit. Trotz wichtiger Fortschritte wie dem wesentlich effizientere Webstuhl von C. Cramer & Co. GmbH kann und sollte die Produktionseffizienz im CfK-Bereich noch weiter gesteigert werden.  

 

Quellen:

Eigenschaften von Karbonfasern

Airbus A350XWB zu 50 % aus CFK

Vorteile von Flugzeugen bestehend aus CFK

Anwendungsmöglichkeiten von Karbonfasern

Herstellung von Karbonfasern

5 Mikrometer Dicke bei Karbonfasern

Marktgröße für Karbonfasern

30 % Ausschuss / Zweite Quelle

Große Mengen Energie und Erdöl für die Karbonfaserproduktion

20 Tonnen CO₂ pro hergestellte Tonne Karbonfasern

2021 weltweit produzierte Menge Karbonfasern

Anteil der Automobilindustrie an der weltweiten Karbonfaserverteilung

Kosten für Karbonfasern in der Automobilindustrie (10-12 $/pound = 22-26,4 $/kg)

höhere Kosten für Karbonfasern in der Luftfahrt

Webstuhl von C. Cramer & Co. GmbH

(Photo by StruffelProductions on Pixabay)

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