Analyse der Umweltauswirkungen bei der Herstellung, dem Einsatz und der Entsorgung von CFK- bzw. Aluminiumrumpfkomponenten

Im Rahmen des Projektes wurde erstmalig die Herstellung von Bauteilen für Rumpfkompo-nenten aus Aluminium bzw. CFK in Bezug auf ihren Material- und Energieverbrauch analy-siert, modelliert und miteinander verglichen. Als Untersuchungsmethode wurde die Stoff-stromanalyse gewählt. Hierfür wurden die Produktionsprozesse von der Rohstofferzeugung über die Halbzeugproduktion bis zur Bauteilfertigung und Rumpfendmontage weitestgehend identifiziert und analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Fertigungsschritte der Rumpfstrukturen aus den Halbzeugmaterialien einen nicht zu vernachlässigenden Beitrag am energetischen und stofflichen Ressourcenverbrauch ausmachen. ... mehrNach den vorliegenden Analysen weist CFK gegenüber Aluminium in Bezug auf ökologische Aspekte in erster Nähe-rung weder Vor- noch Nachteile auf. Die Modellrechnungen zeigen auf, dass die Herstellung der CFK-Rumpfstruktur näherungsweise die gleiche Menge an Primärenergie verbraucht, wie die Herstellung der entsprechenden Aluminiumstrukturen. Die Analyse der gesamten Verfahrensabläufe diente auch dazu, besonders energieintensive bzw. mit besonders hohen Ressourcenverbräuchen verbundene Prozessschritte zu identifizieren und Empfehlungen in Bezug auf eine verbesserte energetische und stoffliche Ressourcennutzung abzuleiten.
Eine angestrebte Gewichtsreduzierung der Rumpfstruktur von ca. 30 % bei Verwendung von CFK bedeutet keine entsprechende Reduktion des Startgewichts bzw. Treibstoffverbrauchs des betrachteten Flugzeuges, in den hier durchgeführten Modellrechnungen reduzieren sich Startgewicht und Treibstoffverbrauch nur um etwa 4 %. Um weitere Gewichts- oder Treib-stoffeinsparungen zu erzielen, genügt es beim Entwurf neuer Flugzeuge nicht, nur den Rumpf zu betrachten, es muss das gesamte Flugzeug mit einbezogen werden. Die großen Vorteile des Einsatzes dieser Verbundwerkstoffe im Flugzeugbau liegen in seinen material-spezifischen Eigenschaften, die für den Flugzeugbau eine Innovation bedeuten, und weniger im Potenzial für Treibstoffeinsparungen.
Eine abschließende Bewertung der Vor- und Nachteile des Einsatzes von CFK in Bezug auf Wartung und Reparatur in der Nutzungsphase ist nicht möglich, denn der Aufwand für die Reparatur hängt in entscheidendem Maße vom Einsatzort und der Schadensgröße des Bau-teils ab.
Im Rahmen des Projektes wurde auch der Verbleib von Produktionsabfällen bei der Ferti-gung von CFK- und Aluminiumbauteilen näher untersucht und miteinander verglichen. Die Entsorgung von Altbauteilen, die z. B. bei der Reparatur ausgewechselt werden, wurde nicht behandelt. CFK-Abfälle wurden in der Vergangenheit einer Beseitigung zugeführt. Es beste-hen nun Bestrebungen, diese Abfälle einer Verwertung zu zuführen. Die derzeit favorisierten Verwertungsmaßnahmen – Partikelrecycling und Pyrolyse – sind allerdings noch nicht aus-gereift. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf.

Environmental Impact Analysis of Manufacturing, Use and Fate of CFRP- and Aluminium Fuselage Components for Commercial Airliners
Within the project for the first time the mass and energy consumption related to the produc-tion, use and recycling of a CFRP fuselage and a conventional aluminium fuselage was ana-lysed, modelled and compared. For the analysis of the aluminium and CFRP production lines the main process steps from the mining of the raw materials to the final product were identi-fied and connected to a process chain with modules, which contain single processes or ac-cumulated processes representing a complete production step. ... mehrAs a result, it can be stated that the primary energy demand for both process chains is roughly on the same level. The analysis of the aluminium and CFRP production chains revealed some major energy and material intensive steps that offer potential for more economic operations some of which are about to be applied in the near future.
The use of CFRP in the considered fuselage components of the single aisle reference airliner could reduce its weight to approximately 30 % in comparison to the conventional aluminium fuselage. This results in fuel savings up to 4 % during service life time. For additional weight reduction and fuel saving the total airliner should be taken into consideration.
At the moment it is not possible to assess the advantages or disadvantages of the two con-sidered materials in respect to maintenance and repair because the expenditure of repair depends on the extent and place of the damages.
In the context of this study only the production residues are considered, the recycling of new parts rejected due to defect, exchange spare parts or the fate of the complete fuselage are neglected up to now. Mostly CFRP residues are deposited. Recycling technologies for resi-dues of CFRP, fibres and resins are still in the beginnings. At present the material is normally shreddered to particles of defined size and used as admixture in secondary polymeric prod-ucts like e.g. sheet moulding compounds. It can be stated that currently particle recycling and pyrolysis seem to be the most interesting ways for the recycling of CFRP residues. Neverthe-less there is still no market for processed CFRP residues.