Kohlefaserverbundwerkstoffe – ein Beitrag zur Kreislaufwirtschaft?

Aus Rote Fahne 42/2014: Antwort von Prof. Dr. Christian Jooß, Universität Göttingen, auf zwei Leserbriefe
Kohlefaserverbundwerkstoffe – ein Beitrag zur Kreislaufwirtschaft?

Prof. Dr. Christian Jooß

In zwei Leserbriefen einer Leserin aus Bremen zu den „Rote-Fahne“-Ausgaben 24 und 35/2014 wird die Aussage des umweltpolitischen Sprechers der MLPD kritisiert, dass Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) ein Beitrag zur Energieersparnis und Sicherheit bei Fahrzeugen sind. Zu Recht wird von der Leserin eine vereinfachte und unkritische Darstellung in den beiden Artikeln kritisiert. Wenn sie schreibt: „Der Grundstoff ist zwar Kohlenstoff, aber ihr unterliegt einem großen Irrtum, wenn ihr glaubt, diese Wertstoffe würden aus Kohle hergestellt. … Solche Fasern können nicht aus Kohle hergestellt werden, sondern nur aus Erdöl“, wirft sie jedoch die Frage auf, ob CFK tatsächlich eine wichtige Bedeutung für eine zukünftige Kreislaufwirtschaft haben können.

Die Grundlagen des Leichtbaus sind so alt wie das Leben auf der Erde: Pflanzen tragen ihre Blüte auf einem „Leichtbaustengel“ und Bäume erreichen mit Stämmen aus Holz außerordentliche Höhen und Stabilität gegen Wind. Das Prinzip ist die Einbettung von Fasern mit hoher Festigkeit in eine weichere Matrix (Faserverbundwerkstoff). Kohlefaserverbundwerkstoffe (Carbon-Fiber enforced Composites: CFK) basieren auf demselben Prinzip: Hier werden Kohlefasern aus reinem Kohlenstoff in einer Matrix eingebettet. Je nach gewünschten Eigenschaften kommen für die Matrix verschiedene Kunststoffe, wie Epoxidharze, Thermoplaste oder auch gummielastische Polymere zum Einsatz.

Kohlefaserverbundwerkstoffe verbinden geringes Gewicht mit hoher Festigkeit, sodass sie eine besondere Bedeutung als Werkstoffe für die Energieeinsparung im Transportbereich (Flugzeuge, Autos, Fahrräder), bei Windrädern, in der Medizintechnik oder im Maschinenbau haben. Sie sind weitaus korrosionsbeständiger als Metalle und sie besitzen eine ungeheure Fähigkeit der Energieaufnahme bei Stößen und Unfällen, sodass sich die Sicherheit im Straßenverkehr erhöht.

Werden CFK aus Rohöl hergestellt?

Derzeit werden die Kohlefasern überwiegend aus Polyacrylnitrile (PAN) hergestellt, welches energieaufwändig aus Erdöl über Ethylen erzeugt wird. Alternativ werden sie auch aus Pech hergestellt, eine teerartige Masse, die bei der Destillation von Erdöl oder harzhaltigen Hölzern anfällt. Schon 1880 stellte erstmals Thomas Alva Edison Kohlefasern durch Pyrolyse (thermische Zersetzung chemischer Verbindungen) von pflanzlichen Stoffen her. Heute ist der Anteil der aus Steinkohle gewonnenen Fasern gering, obwohl es erprobte Verfahren gibt. Sie können beispielweise aus Steinkohleteer gewonnen werden, welches bei der Koks-Gewinnung für die Stahlproduktion anfällt. Verschiedene alternative Verfahren produzieren Kohlefasern aus Kohle-Asche, aus Ethanol (über Kohleverflüssigung) oder direkt aus Kohlenstoff mittels Chemischer Gasphasenabscheidung. Chinesische Wissenschaftler veröffentlichten erst kürzlich ein direktes Verfahren der Herstellung aus Steinkohle mittels Elektroabscheidung. Die verschiedenen Verfahren unterscheiden sich im Energieaufwand und es gibt ein großes Potenzial, den Energieaufwand durch technische Verbesserungen weiter zu verringern.

Herstellung der Kunststoffe für die Matrix

Die für die Matrix eingesetzten Materialien wie Epoxidharze oder Thermoplaste werden derzeit überwiegend aus Erdölprodukten gewonnen. Ihre Gewinnung aus Kohle erfordert den Aufbau von Verfahren der Kohleverflüssigung und Vergasung, um die entsprechenden Kohlenwasserstoffe zu synthetisieren. Eine solche Technologie wurde beispielsweise in der ehemaligen DDR in den Buna-Werken entwickelt. Dazu wurde in der „Roten Fahne“ 41/2014 ein Leserbrief eines ehemaligen Buna-Arbeiters abgedruckt, der aufzeigt, wie in Buna und Leuna „auf der Basis von Kohle und Carbid alle damals gängigen Kunststoffe hergestellt wurden“. Die Kohleverflüssigung in der DDR war jedoch mit einer sehr starken Umweltbelastung im Chemiedreieck Buna-Leuna-Bitterfeld und einem hohen Energieaufwand verbunden. Pläne zum Übergang zu einer umweltschonenderen Kohleverflüssigung wurden durch die Wende verhindert.

Für eine künftige Kreislaufwirtschaft ist heute die Weiterentwicklung der Verfahren der Kohlechemie notwendig. Ein Schlüssel ist die Produktion von Wasserstoff aus Wasser und Sonnenenergie. Damit ließen sich die für Kunststoffe benötigten Kohlenwasserstoffe umweltschonend aus Steinkohle gewinnen. Auch eine Erzeugung der Epoxidharze aus pflanzlichen Rohstoffen wäre möglich, jedoch begrenzt durch die zur Verfügung stehende Biomasse. Vermieden werden müssen giftige Haftvermittler zwischen Kohlefaser und Matrix, wie aromatische Kohlenwasserstoffe. Die Verbesserung der Haftung durch Aktivierung der Kohleoberfläche mittels Wasserdampf ist klar im Vorteil für den Umwelt- und Gesundheitsschutz.

Energieeinsparung durch CFK?

Der Energieverbrauch eines Fahrzeugs bzw. Flugzeugs hängt direkt vom Eigengewicht ab. Die Verwendung von Leichtbaumaterialien wie Aluminium bzw. CFK anstatt von Stahl können zu einer erheblichen Energieeinsparung beitragen. Jedoch muss eine Gesamt-Energiebilanz von der Herstellung über die Nutzung bis zum Recycling des Materials vorgenommen werden. Der Vergleich mit Stahl zeigt, dass CFK bei der Nutzung in Pkws und Lkws durch die Gewichtsreduktion eine Energieeinsparung von bis zu 60 Prozent bringt. Durch den höheren Energieaufwand bei derzeitigen Herstellungsverfahren aus Erdöl ist die gesamte Einsparung von Energie jedoch nur bei 10 Prozent, worauf der Leserbrief berechtigt hinweist. Damit haben CFK beim Einsatz im Pkw in etwa denselben Gesamtenergieaufwand wie Aluminium. Dagegen führt der Einsatz von CFK beim Flugzeug heute schon zu einer Gesamtenergieeinsparung von 25 bis 35 Prozent im Vergleich zu Aluminium, auch unter Berücksichtigung der Herstellung. Es ist möglich, durch weitere Verbesserungen der Produktionsverfahren den Aufwand für die Herstellung von CFK drastisch zu reduzieren, beispielsweise durch bessere Katalysatoren, durch Aufbau einer Recycling-Kette oder durch Übergang zu einer solaren Chemie.

Brand-, Umwelt- und Gesundheitsgefahren

Die als Matrix verwendeten Epoxidharze sind leicht entzündlich, da bei Erwärmung brennbare Gase freigesetzt werden können. Deshalb müssen ihnen Flammschutzmittel zugefügt werden. Die bisher meist verwendeten halogenierten Kohlenwasserstoffe wie Tetrabrombisphenol-A sind hochgiftig. Umweltschonende Alternativen sind phosphorhaltige Verbindungen. Auch bei Vermeidung giftiger Zusätze können bei der Bearbeitung von CFK oder bei Unfällen Gesundheitsgefahren für die Lunge durch entstehende Faserstäube ausgehen. Die Gefährdung hängt von der Faserlänge und -durchmesser ab. Lange Fasern mit einem Durchmesser kleiner als drei Zentimeter bergen Gesundheitsgefahren, ähnlich wie bei der Asbestose. CFK haben im Vergleich mit Asbest jedoch enorme Vorteile: Sie sind weniger spröde, können also wenig zersplittern und sie haften in der Epoxidmatrix, wodurch die Freisetzung langer Faserstücke durch Verwitterung oder mechanischen Abrieb unterbleibt. Umfassende Untersuchungen fehlen jedoch bis heute. Nach Recherchen des NDR geht bei Unfällen mit Bränden ein nicht zu unterschätzendes Krebsrisiko von Zersetzungsprodukten aus. Ursache sind Nanopartikel und Faserstücke, die beim Brand freigesetzt werden können.

Recycling

Recyclingverfahren für CFK, die auf Pyrolyse beruhen, wurden in den letzten Jahren entwickelt. Hierbei zersetzt sich die Epoxidmatrix bei Erwärmung unter Luftabschluss in Pyrolysegas, welches brennbar ist, und die Kohlefasern werden zurückgewonnen. Dieses Verfahren ist jedoch kein vollwertiges Recycling, da das Epoxid nicht wiederverwendet wird. Ingenieure am Sächsischen Textilforschungsinstitut (STFI) in Chemnitz haben ein Verfahren entwickelt, um Kohlenstofffasern aufzubereiten und die gewonnenen, recycelten Fasern zu Vliesstoffen zu verarbeiten. Diese sind eine wertvolle Ausgangsbasis für CFK-Werkstoffe. Weitere Forschung ist in diesem Bereich notwendig.

Kohle ist viel zu wertvoll, um sie zu verbrennen“

Diese Kampflosung der Bergarbeiterbewegung „Kumpel für AUF“ gegen den Klimakiller Kohleverbrennung richtet sich gegen die Zerstörung des Erdklimas durch die Bergbau- und Energiemonopole. Sie orientiert gleichzeitig auf die umweltschonende Nutzung des Rohstoffes Kohle auch für zukünftige Generationen. Schon heute werden weltweit circa 29 Prozent der geförderten Steinkohle in vielfältiger Weise für die Herstellung von Materialien wie Stahl, Zement, Aktivkohle etc. eingesetzt. Auch die Produktion von CFK-Materialien aus Kohle wäre ein wichtiger Beitrag zur Kreislaufwirtschaft, wenn umweltschonende Verfahren eingesetzt und weiterentwickelt werden.

Es wird jedoch auch deutlich, dass eine umfassende Kreislaufwirtschaft nach der Leitlinie der Einheit von Mensch und Natur nicht durch den Kampf für einzelne fortschrittliche Technologien durchzusetzen ist. Heute basiert die gesamte Produktionsweise der internationalen Monopole auf der umfassenden Zerstörung der Einheit von Mensch und Natur. Die Durchsetzung einer Kreislaufwirtschaft unter Einbezug von fortgeschrittenen kohlenstoffbasierten Materialien und basierend auf erneuerbaren Energien ist eine Systemfrage geworden. Es ist notwendig, die Alleinherrschaft des internationalen Finanzkapitals revolutionär zu überwinden. Erst die vereinigten sozialistischen Staaten der Welt können einen Paradigmenwechsel mit einer sozialistischen Produktionsweise organisieren, in dem auch Steinkohle langfristig über Generationen hinweg immer besser in Einheit von Mensch und Natur genutzt werden kann.



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