Von Windkraftanlagen-Blättern bis zu Wasserstoffspeichertanks: Warum ist Kohlenstofffaser zum „Standard“ bei Energiewerkstoffen geworden?

Vor dem Hintergrund des beschleunigten globalen Energieübergangs hin zu kohlenstoffarmen und sauberen Lösungen rücken Materialien zunehmend leise in den Fokus als zentraler Treiber für den Fortschritt der Energietechnologie. Von über hundert Meter langen Windturbinenflügeln bis hin zu Hochdruck-Wasserstoffspeicherbehältern findet sich Kohlefaser immer häufiger in Kernkomponenten für neue Energiequellen – sie entwickelt sich schrittweise von einem „Hightech-Material“ zu einem unverzichtbaren Standard im Energiesektor.

Welche Eigenschaften ermöglichen es dieser scheinbar gewöhnlichen schwarzen Faser, in Schlüsselbereichen wie der Windenergie und der Wasserstoffenergie eine unersetzliche Position einzunehmen?

Windturbinenflügel stellen extreme Anforderungen an die verwendeten Materialien.

Die Windenergie gehört heute zu den ausgereiftesten Formen der sauberen Energie und entwickelt sich kontinuierlich hin zu höheren Megawatt-Leistungen und längeren Flügeln. Längere Flügel vergrößern die überstrichene Fläche und steigern theoretisch die Stromerzeugungseffizienz. Dieser Trend stellt jedoch extreme Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Materialien.

Traditionelle Glasfaserblätter weisen häufig aufgrund ihres hohen Eigengewichts bei zunehmender Blattlänge strukturelle und Ermüdungsprobleme auf. Kohlenstofffaser bietet mit ihren herausragenden Vorteilen hinsichtlich spezifischer Festigkeit und spezifischem Elastizitätsmodul eine überlegene Lösung zur Realisierung von „Gewichtsreduktion und Effizienzsteigerung“ bei Windenergieanlagen-Blättern.

Der Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe in kritischen lasttragenden Bereichen wie dem Hauptspant und den Verstärkungszonen reduziert das Gesamtgewicht der Blätter erheblich und steigert gleichzeitig Steifigkeit sowie Ermüdungslebensdauer deutlich. Dies ermöglicht nicht nur weitere Durchbrüche bei der Blattlänge, sondern verringert zudem Transport-, Installations- und Betriebslasten für die gesamte Turbine und ebnet so den Weg für die Entwicklung von Offshore-Windenergieanlagen sowie Windparks in Regionen mit niedriger Windgeschwindigkeit.

Wasserstoffspeichertanks: Die zentrale Grundlage für Leichtbau und Sicherheit

Wenn Windenergie die „Erzeugungsseite“ der neuen Energie darstellt, dann ist Wasserstoffenergie eine entscheidende Richtung für Energiespeicherung und -nutzung. Innerhalb des Wasserstoffenergiesystems bleibt die sichere und effiziente Speicherung von Hochdruck-Wasserstoff eine unvermeidbare Schlüsselherausforderung.

Aktuelle Mainstream-Typ-III- und Typ-IV-Hochdruck-Wasserstoffspeichertanks nutzen nahezu ausschließlich Wickelstrukturen aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen. Im Vergleich zu herkömmlichen Metallspeichertanks weisen Kohlenstofffaser-Wasserstoffspeichertanks deutliche Vorteile in mehreren Dimensionen auf:
(1) Geringeres Gewicht: Deutlich reduziertes Gewicht bei gleicher Wasserstoffspeicherkapazität, was die Gesamteffizienz des Fahrzeugs oder Systems steigert.
(2) Höhere Druckfestigkeit: In der Lage, die Anforderungen an die Hochdruckspeicherung bei 35 MPa, 70 MPa und darüber hinaus zu erfüllen.
(3) Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit: Widerstandsfähig gegen Wasserstoffversprödung und damit langfristige Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistend.

Daher ist Kohlenstofffaser zu einem unverzichtbaren Kernmaterial in Brennstoffzellenfahrzeugen sowie Wasserstoffspeicher- und -transportsystemen geworden.

Warum ist Kohlenstofffaser so „besonders“?

Die Leistungsvorteile von Kohlenstofffaser ergeben sich aus ihrer einzigartigen Mikrostruktur.

Kohlenstoffatome sind hochorientiert angeordnet und bilden eine graphitähnliche kristalline Struktur; obwohl die Faserdurchmesser typischerweise nur 5–10 Mikrometer betragen, können sie extrem hohe Zuglasten aushalten. Gleichzeitig kann Kohlenstofffaser durch Oberflächenbehandlung und Gewebestrukturgestaltung stabile Bindungen mit Harzsystemen eingehen und so die strukturellen Anforderungen verschiedener Energiesysteme erfüllen.

Gerade diese Flexibilität bei der Konstruktion und Prozessgestaltung ermöglicht es Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen, eine beispiellose Balance zwischen Festigkeit, Steifigkeit, Gewicht und Haltbarkeit zu erreichen.

Historisch gesehen beschränkte die hohe Kostenintensität von Kohlenstofffaser deren anwendung expansion. In den letzten Jahren haben sich technologische Fortschritte und eine zunehmende Anwendungsskala jedoch allmählich auf dieses Umfeld ausgewirkt:
(1) Die ausgereifte Großstrang-Kohlenstofffasertechnologie hat kontinuierliche Senkungen der Stückkosten bewirkt.
(2) Die kontinuierliche Optimierung von Vorläufermaterialien und Fertigungsverfahren hat die Produktionseffizienz gesteigert.
(3) Recycling- und Wiederverwertungstechnologien verbessern sich stetig.
(4) Die wachsende Nachfrage im Energiesektor treibt die großtechnische industrielle Entwicklung voran.
Unter Berücksichtigung sowohl der umfassenden Leistung als auch der gesamten Lebenszykluskosten wird die Anwendung von Kohlenstofffasern in Energietechnik zunehmend wirtschaftlich tragfähig.

Neben Windenergie und Wasserstoffenergie erweitert sich der Anwendungsbereich für Energieanwendungen kontinuierlich.

Neben Windturbinenblättern und Wasserstoffspeichertanks erweitern sich die Anwendungsgrenzen von Kohlenstofffasern im Energiesektor kontinuierlich, beispielsweise:
(1) Photovoltaik-Montagekonstruktionen und Strukturkomponenten
(2) Strukturelle und schützende Komponenten in Kernkraftanlagen
(3) Korrosionsbeständige Komponenten in Meeresenergieanlagen
(4) Übertragungs- und Netzausbaustrukturen

Es ist absehbar, dass Kohlenstofffasern im Zuge der weiteren Entwicklung neuer Energietechnologien in immer kritischeren Bereichen eingesetzt werden.

Von Windturbinenschaufeln, die sich gegen den Wind drehen, bis hin zu Wasserstoffspeichertanks, die unter Druck arbeiten – Kohlenstofffasern prägen die Werkstofflogik von Energiesystemen neu. Sie stehen nicht nur für eine leichtere und festere Materialwahl, sondern verkörpern zudem das gemeinsame Streben nach Effizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit im Zeitalter der neuen Energien.

Während Kohlenstofffaser sich von einer „Premium-Option“ zu einem „Standardmaterial der Energiewirtschaft“ entwickelt, spiegelt dieser Wandel nicht nur Fortschritte in der Werkstoffwissenschaft wider, sondern auch eine zwangsläufige Entscheidung im Rahmen des Energiewandels.

In zukünftigen Energiesystemen könnte Kohlefaser so allgegenwärtig werden wie Stahl heute – doch leichter, widerstandsfähiger und besser mit den Zielen einer nachhaltigen Entwicklung vereinbar.