Faserverbundwerkstoffe bzw.  -kunststoffe sind eine Kombination aus verschiedenartigen Materialien in einem Werkstoffverbund. Die Vorzüge einer faserverstärkten Struktur sind dabei so entscheidend, dass solche Strukturen in der Natur absolut dominieren.

Faserverbundwerkstoffe aus Kohlenstoff- bzw. Carbonfasern (CFK) und Glasfasern (GFK) werden insbesondere aufgrund der sehr hohen Leistungsfähigkeit, des geringen Gewichtes und der Beständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen eingesetzt. Folglich können sie im besonderen Maße zur Verringerung des Verbrauches von Ressourcen und zur Erhöhung der Wirtschaftskraft beitragen.

Letztlich ist die genaue Spezifikation eines Faserverbundwerkstoffes materialabhängig. Beispielsweise handelt es sich beim Carbonbetons um ein Verbundwerkstoff aus Beton und einer nichtmetallischen Bewehrung aus Carbon. Die Bewehrung setzt sich wiederum aus einer kohlenstoffbasierten Faser, Schlichte und Tränkung zusammen. Entscheidend ist, dass die Ausführung der Bewehrung sowohl matten- bzw. gitterförmig als auch stabförmig ist, während in den Beton zugemischte Kurzfasern kein Gegenstand des Carbonbetons darstellt.

Faserverbundwerkstoffe finden sowohl in der Bundesrepublik Deutschland als auch weltweit zunehmend neue Anwendungsgebiete in allen Bereichen des Lebens. Das Spektrum reicht von ultraleichten Brillengestellen über Haushalts- und Freizeitgeräte bis hin zum Einsatz in der Windkraftenergie, Automobil-, Schiffs-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie Maschinen- und Anlagenbau. Weitere Anwendungen sind Halbzeuge (Bewehrungen etc.) im Hoch-, Tief- und Ingenieurbau.

Neue Fasern – wie die Kohlenstofffaser – werden üblicherweise aus Erdöl hergestellt. Darüber hinaus drängen sich immer mehr alternative Ansätze zu deren Herstellung dem Markt auf, wie algenbiomasse-, lignin- oder polyethylenbasierte Kohlenstofffasern und dem Abschneiden von Kohlenstoffdioxid aus der Luft.  Es handelt sich dabei zumeist um Endlosfasern, die in Abhängigkeit der Nutzung entsprechend eingekürzt werden.

Demgegenüber werden recycelte Fasern produktionsseitig aus den zurückgeführten kohlenstofffaserhaltigen Abfällen oder anwendungsbezogen nach Ende der Nutzungsphase wieder in den Stoffkreislauf zurückgeführt. Die wieder aufbereiteten Materialien stellen als Stapel- und Kurzfasern hochwertige Sekundärrohstoffe dar. Im Vergleich zur neuen Faser ist die Leistungsfähigkeit weiterhin so hoch, dass recycelte Fasern ebenfalls zur Herstellung neuer hochwertiger Produkte genutzt werden können (Karosserieteile für die Automobilindustrie, matten- und stabförmige Bewehrungen für den Betonbau etc.), statt weiterhin deponiert oder der thermischen Verwertung zugefügt werden zu müssen.

Können Bestandteile der Faserverbundwerkstoffe nicht direkt wiederverwendet werden, fallen faserhaltige Abfälle an. Abfälle von Faserverbundwerkstoffen entstehen nicht erst am Ende der Nutzungszeit der Faserverbundwerkstoffe, sondern bereits bei der Fertigung von Fasern und Garnen, bei der Fertigung von Halbzeugen und den Faserverbundwerkstoffen selbst.

Für eine funktionale Kreislauf- und Ressourcenwirtschaft bedarf es einer flächendeckenden Etablierung von Anwendungen aus diesen hochwertigen faserhaltigen Sekundärrohstoffen. Hierfür sind zum einen die technischen und organisatorischen Prozesse für eine umfangreiche stoffliche Verwertung der faserhaltigen Fraktionen auszubauen, wie es beispielsweise für metallische Werkstoffe der Fall ist. Zum anderen sind auch weitere marktfähige Produkte aus recycelten Fasern anzubieten.

Aus diesem Grund wird in der Region „Elbtal Sachsen“ eine Kreislauf- und Ressourcenwirtschaft für Faserverbundwerkstoffe entwickelt. Dieser Ansatz stärkt die Entwicklungschancen vor Ort, indem vorhandene Prozesse der zirkulären Wertschöpfungsketten komplettiert und neue Entwicklungen angestoßen werden, statt sie aus der Region „Elbtal Sachsen“ auszulagern. Damit wird regional die (wirtschaftliche) Resilienz und Variabilität verbessert und langfristige Perspektiven für Wachstum und Beschäftigung geschaffen.

Die Wiedereinbringung von Faserverbundwerkstoffen in Form von recycelten Fasern entlang einer zirkulären Kreislaufwirtschaft kann unterschiedlich erfolgen. Alle drei Techniken bieten eine Chance, den Einsatz von Ressourcen und gleichzeitig faserhaltige Abfälle zu reduzieren.

Entsprechende Prozesse können zur Wiederherstellung (Recycling) oder Erhöhung (Upcycling) oder zur Verringerung (Downcycling) der Qualität, des Potenzials für künftige Anwendungen und des wirtschaftlichen Wertes der einzelnen Rohstoffe führen. Im Falle von Faserverbundwerkstoffen handelt es sich gegenwärtig zumeist um ein Downcycling, was im Wesentlichen auf die mechanische, chemische und/oder thermische Beanspruchung der einzelnen Komponenten zurückzuführen ist.

Vor dem Hintergrund, dass Faserverbundwerkstoffe in unterschiedlichen Branchen und Anwendungen zum Einsatz kommen, erfolgt das Recycling von faserhaltigen Abfällen zumeist via Open-Loop Ansatz. Dabei werden die einzelnen Komponenten eines Produktes von einem System in ein anderes System überführt bzw. die zurückgewonnenen Sekundärrohstoffe für die Herstellung anderer Produkte verwertet. Dagegen werden beim Closed-Loop Ansatz die zurückgewonnenen Sekundärrohstoffe in die ursprüngliche Anwendung zurückgeführt.

Für die bauliche Realisierung des Bedarfes an Wohnraum und Infrastrukturen wird weltweit zumeist der Baustoff Beton eingesetzt, wovon ein großer Teil für den Stahlbetonbau vorgesehen ist. Jedoch wird im Betonbau sowohl in der Bundesrepublik Deutschland als auch weltweit immer häufiger auf nichtmetallische Bewehrungen zurückgegriffen. Für den Einsatz von Carbonbeton – ein Verbundwerkstoff aus Beton und einer Bewehrung aus Carbon – kämen zur Herstellung einer matten- bzw. gitterförmigen als auch stabförmigen Bewehrung auch recycelte Fasern in Frage.

Vor dem Hintergrund, dass gegenwärtig die Qualität einer recycelten Faser zumeist (noch) nicht die Qualität einer neuen Faser heranreicht, wird der Einsatz von recycelten Fasern für marktrelevante Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Leistungsfähigkeit (Luft- und Raumfahrt etc.) oder Optik und Haptik (Automobil- und Freizeitindustrie etc.) erschwert. Dagegen ist das Anforderungsprofil im Bauwesen – unter Einhaltung aller sicherheitsrelevanten Kenngrößen – vergleichsweise niedrig. Durch die Wiedereinbringung faserhaltiger Abfälle in Bauteilen und -werken kann bereits zum heutigen Zeitpunkt insbesondere

• die geringere Leistungsfähigkeit kompensiert werden, indem erst einmal ein größerer Sicherheitsbeiwert vorgesehen wird. Die Besonderheit liegt darin, dass der Querschnitt der Bewehrung immer noch so gering ist, dass diese Vorgehensweise keinen Einfluss auf die Konstruktion und Formgebung haben wird.
• die niedrige Qualität an Optik und Haptik unberücksichtigt bleiben, da diese im Betonbau keine Rolle spielt.
• die Menge an erforderlichen Ressourcen und faserhaltige Abfälle aus unterschiedlichen Branchen reduziert werden.
• das bisher in den Kohlenstofffasern gebundenes CO₂ in Bewehrungen aus recycelten Fasern weiterhin verbleiben.

In einer Kreislauf- und Ressourcenwirtschaft kann erst durch eine weitreichende Digitalisierung der ganze Lebenszyklus eines Produktes transparent abgebildet werden; beginnend von der Gewinnung der Rohstoffe bis hin zum Lebensende. Nur wenn bekannt ist, wann und wo und wieviel faserhaltige Abfälle anfallen, können effektive Maßnahmen entwickeln werden, um Faserverbundwerkstoffe vollumfänglich zu sammeln und zu sortieren sowie angemessen wieder- oder weiterzuverwenden. Demzufolge ist die Digitalisierung als direktes Werkzeug für den Aufbau des angestrebten zirkulären Stoffkreislaufes für Faserverbundwerkstoffe zu verstehen.

Während die bisherige Abfallwirtschaft sich mit den Materialien beschäftig, die bei der Produktion oder nach dem Konsum keinen unmittelbaren Verwendungszweck mehr erfüllen, schafft erst eine recyclinggerechte Konstruktion bzw. das Design für Recycling überhaupt die Voraussetzung für ein zirkuläres wirtschaften. Regeln und Rahmenbedingungen sollen dafür sorgen, dass bereits vor der Herstellung und Verwendung eines Produktes die Anforderungen an die spätere Entsorgung und das Recycling berücksichtigt werden. Schließlich soll ein Produkt ohne größeren Aufwand wieder in seine (stofflich einheitlichen) Ausgangsbestandteile zerlegt oder sogar in die Ausgangsrohstoffe überführt werden können. Vor dem Hintergrund (einfach) trennbare Verbindungen und dem Einsatz möglichst wenig unterschiedlicher Werkstoffe sowie einer großen Stabilität soll ein Produkt letztlich langlebig sowie gut reparier- und regenerierbar sein.

Faserverbundwerkstoffe aus recycelten Fasern sind bereits mit den heute üblichen Anlagen recyclingfähig.

Für die stoffliche Wiederverwertung stehen mit den mechanischen, lösemittelbasierten und chemischen Verfahren (Solvolyse und Pyrolyse) drei grundlegende Ansätze zur Verfügung. Die Qualität recycelter Fasern ist dabei nicht nur von den hinzugezogenen Verfahren abhängig, sondern auch von der technischen Ausstattung und derer technologischen Reifegrad (Technology Readiness Level; TRL), der Effektivität und Effizienz aller Prozesse, der Reinheit des Inputs bzw. zugegebenen Materials und von den Kosten. Dazu zählt auch, dass nochmals (wieder- und) wiederverwertete recycelte Fasern einen Einfluss auf die Qualität haben können, insbesondere auf die Länge der einzelnen Fasern.

In Hinblick auf die Carbonbetonbauweise werden ebenfalls mit den heute üblichen Anlagen bis zu 98 % der Bewehrung aus Carbon aus den rückgebauten und abgebrochenen Materialien zurückgewonnen. Für die stoffliche Verwertung zurückgewonnener Kohlenstofffasern wird bei Bedarf die Kunststoffmatrix der Tränkung von der Kohlenstofffaser entfernt. Hierzu werden die zu reinigenden Faserstrukturen einem Pyrolyse- oder Solvolyseprozess zugeführt. Carbonbeton, der in heterogenen Stoffgemischen vorliegt und im Rahmen der Sammlung und Sortierung nicht sortenrein und fremdstofffrei bereitgestellt werden kann, muss mittels spezieller Verfahren von Fremdstoffen separiert werden.

Faserverbundwerkstoffe aus recycelten Fasern sind unter Einhaltung der bereits heute verfügbaren Leitlinien, Richtlinien, Zulassungen und weiteren Hilfsmitteln nicht gesundheitsgefährdend.

Im Bauwesen greift sowohl bei neuen als auch recycelten Kohlenstofffasern die Registrierung des Deutschen Institutes für Gütesicherung und Kennzeichnung (RAL) RAL‑RG 351 . Es wird damit sichergestellt, dass im Bauwesen für den Einsatz von matten- und stabförmigen Bewehrungen im Betonbau ausschließlich Typen von Kohlenstofffasern eingesetzt werden, die aufgrund ihres Bruchverhaltens oder ihrer Fasermorphologie im Lebenszyklus zu keiner gesundheitlich relevanten Freisetzung von Faserstäuben führen können. Sie dient als Wegweiser dafür, dass beim Einsatz von Carbonbeton nach aktuellem Wissensstand und geltenden Regeln keine, über das bereits übliche Maß hinausgehenden, speziellen Vorkehrungen zum Arbeitsschutz zu treffen sind.

Faserverbundwerkstoffe aus recycelten Fasern sind wirtschaftlich.

Im Vergleich zum Einsatz neuer Fasern haben sich bisher weniger Produkte auf dem Markt etablieren können. Jedoch nimmt die Anzahl an marktrelevanten Produkten zu, begünstigt durch die gesellschaftlichen, politischen, rechtlichen und verwaltungsorganisatorischen Entwicklungen in Hinblick auf einen nachhaltigeren Umgang mit unseren Ressourcen und die anhaltenden Fortschritte bei den technologischen Entwicklungen. Ebenfalls werden die noch ausstehenden Skalierungseffekte ein preislich noch attraktiveres Kosten-Nutzen-Verhältnis schaffen.

Für einen stichhaltigen Nachweis werden die hierfür erforderlichen Daten und Informationen gegenwärtig vollständig erhoben und validiert.

Faserverbundwerkstoffe aus recycelten Fasern ökologisch.

Im Vergleich zum Einsatz neuer Fasern werden insbesondere die Menge an erforderlichen Ressourcen und faserhaltige Abfälle aus unterschiedlichen Branchen reduziert.

Für einen stichhaltigen Nachweis werden die hierfür erforderlichen Daten und Informationen gegenwärtig vollständig erhoben und validiert.

Faserverbundwerkstoffe aus recycelten Fasern sind sozialverträglich.

Auf Grundlage der wirtschaftlichen und ökologischen Vorzüge ermöglicht der Einsatz recycelter Fasern eine weiträumigere Verteilung der Ressourcen, da bei gleicher Voraussetzung mehr produziert und bundes-, europa- oder gar weltweit verteilt werden kann. Nicht zuletzt bietet eine zirkuläre Wertschöpfungskette einen zukunftsträchtigen und attraktiven Arbeitsmarkt in der Bundesrepublik Deutschland sowohl für Berufseinsteiger als auch für langjährige Fachkräfte.

Vor dem Hintergrund der kontinuierlich ansteigenden Nachfrage an Anwendungen aus Faserverbundwerkstoffen sind für den Zeitraum 2011 bis 2021 folgende Angaben bekannt:

Bedarf an CFK, bundesweit: keine statistische Erhebung bekannt.

Bedarf an CFK, europaweit: Anstieg von 19.000 t (2011) auf über 52.000 t (2021)*.

Bedarf an CFK, weltweit: Anstieg von 39.000 t (2011) auf über 92.000 t (2021)**.

Bedarf an GFK, bundesweit: Anstieg von 1.164.000 (2011) auf über 1.250.000 t (2021)***.

Bedarf an GFK, europaweit: Anstieg von 2.369.000 t (2011) auf über 2.910.000 t (2021)*.

Bedarf an GFK, weltweit:  Anstieg von 3.990.000 t (2011) auf über 5.350.000 (2021)****.

Bedarf an Basalt oder Naturfasern, bundesweit, europaweit und weltweit: keine statistische Erhebung bekannt.

* Institut für Kunststoff- und Kreislauftechnik (IKK), Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. (AVK): Composites-Recycling-Studie. 2023. S. 7ff.

** Composite United e. V. (CU e. V.): Marktbericht 2021. Kurzversion. 2021. S. 10.

*** Witten, D. E., & Mathes, V. Der europäische Markt für Faserverstärkte Kunststoffe/Composites 2021: Marktentwicklungen, Trends, Herausforderungen und Ausblicke. 2022. S. 10.

**** Statista, Glass fiber demand worldwide from 2011 to 2022. 2023. URL.

Faserverbundwerkstoffe kommen bereits seit Jahrzehnten in unterschiedlichen Branchen und Anwendungen zum Einsatz, woraus faserhaltige Abfälle noch während der Produktion und schließlich nach der eigentlichen Nutzung resultieren. Ausgehend von der erwartenden Menge an faserhaltigen Abfällen sind für den Zeitraum 2011 bis 2025 (als Bezugsjahr für die Berechnungen) folgende Angaben bekannt:

Menge an CFK, bundesweit: keine statistische Erhebung bekannt.

Menge an CFK, europaweit: 7.000 t (2011) auf über 32.000 t (2025)*.

Menge an CFK, weltweit: keine statistische Erhebung bekannt.

Menge an GFK, bundesweit: keine statistische Erhebung bekannt.

Menge an GFK, europaweit: 833.000 t (2011) auf über 1.594.000 t (2025)*.

Menge an GFK, weltweit: keine statistische Erhebung bekannt.

Bedarf an Basalt oder Naturfasern, bundesweit, europaweit und weltweit: keine statistische Erhebung bekannt.

* Institut für Kunststoff- und Kreislauftechnik (IKK), Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. (AVK): Composites-Recycling-Studie. 2023. S. 68ff.

Mit dem Ziel der Regierung der Bundesrepublik Deutschland bis zum Jahr 2045 branchenübergreifend (Energiewirtschaft, Industrie, Verkehr, Gebäudebereich und Landwirtschaft) klimaneutral voranzuschreiten, werden klimaneutrale Ansätze beim Einsatz von Faserverbundwerkstoffe zunehmend wichtiger. Zumal gemäß des Kreislaufwirtschaftsgesetzes (KrWG) in diesem Zusammenhang bereits natürliche Ressourcen zu schonen sowie Mensch und Umwelt bei der Erzeugung und Bewirtschaftung von Abfällen zu schützen sind.

In Hinblick auf den das Bauwesen werden wohl öffentliche Ausschreibungen mehr und mehr klimaneutrale Bauweisen fördern müssen und für entsprechende Zertifizierungen – beispielsweise für ein nachhaltiges Bauwerk durch eine BNB- oder DGNB-Zertifizierung – sind wiederum Ökobilanzen auszuweisen. Weiterhin wird es immer wichtiger sein, Entscheidungen für klimaneutrale Baustoffe oder Konstruktionen bereits in einem frühen Zeitpunkt der Planung treffen zu können. Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere das Bewehren mit nichtmetallischer Bewehrung aus recycelten Fasern, wird somit stetig an Bedeutung zunehmen.

Neben den sich ändernden gesetzlichen und regulatorischen Rahmen werden zunehmend Förder- bzw. Drittmittel für Forschungs- und Entwicklungsleistungen zur Kreislauf- und Ressourcenwirtschaft durch die einzelnen Bundesländer, der Bundesrepublik Deutschland und der europäischen Union bereitgestellt.

Näheres zur Region „Elbtal Sachsen“ entnehmen Sie bitte der projektbezogenen Website.

Die Mitglieder des C³Verbandes und im Projekt WIRreFa aktiv mitwirkende Institutionen haben über die projekteigene Website einen direkten Zugriff auf die C³Cloud, worüber alle zusammengetragenen und aufbereiteten Ergebnisse und Erkenntnisse (Schlussberichte und Fact Sheets) wie auch weiterführende Daten und Informationen (Bild- und Videomaterial, Statistiken, Studien etc.) zur Verfügung gestellt werden.

Über den Bereich „Über C³“ und „Fachbereich“ auf der Website des C³Verbandes erhalten Sie alle weiteren Informationen sowohl zum C³Verband als auch zu seinen Fachbereichen, wie dem C³Nachhaltigkeit.