M. Achternbosch, K.-R. Bräutigam, C. Kupsch, B. Reßler, G. Sardemann
Karlsruhe: Forschungszentrum Karlsruhe 2003
(Wissenschaftliche Berichte, FZKA 6879)
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Kurzfassung
Im Rahmen des Projektes wurde erstmalig die Herstellung von Bauteilen für Rumpfkomponenten aus Aluminium bzw. CFK in Bezug auf ihren Material- und Energieverbrauch analysiert, modelliert und miteinander verglichen. Als Untersuchungsmethode wurde die Stoffstromanalyse 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. Nach den vorliegenden Analysen weist CFK gegenüber Aluminium in Bezug auf ökologische Aspekte in erster Näherung 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 Treibstoffeinsparungen 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 materialspezifischen 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 Bauteils ab.
Im Rahmen des Projektes wurde auch der Verbleib von Produktionsabfällen bei der Fertigung 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 bestehen nun Bestrebungen, diese Abfälle einer Verwertung zu zuführen. Die derzeit favorisierten Verwertungsmaßnahmen - Partikelrecycling und Pyrolyse - sind allerdings noch nicht ausgereift. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf.