Nachhaltige Carbonfasern für die Energiewende

Die Carbon Lab Factory Lausitz (CLFL) spielt eine zentrale Rolle im Strukturwandel der Lausitz und soll ein Leuchtturm für die Herstellung nachhaltiger, kostengünstiger und wettbewerbsfähiger Carbonfasern in Europa werden. Mit dieser einzigartigen Infrastruktur soll die gesamte Wertschöpfungskette vom biobasierten Rohstoff bis hin zu technischen Textilien oder Hochleistungsbauteilen abgebildet werden. Die bundesländerübergreifende Kooperation zwischen Sachsen und Brandenburg wurde durch das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, das Institut für Strukturleichtbau der Technischen Universität Chemnitz und das Institut für Leichtbau und Wertschöpfungsmanagement der Brandenburgisch Technischen Universität Cottbus-Senftenberg gestartet.

Das Fraunhofer IAP bringt seine langjährige Expertise bei der Entwicklung von Spinnprozessen zur Herstellung biobasierter Fasern und der damit einhergehenden Optimierung der Ausgangsstoffe sowie bei der Carbonisierungstechnologie ein. Spinnanlagen zur Herstellung der weißen Vorläuferfaser sind im Technikumsmaßstab und Carbonisierungsanlagen im Labormaßstab am Standort Potsdam bereits seit vielen Jahren erfolgreich in Betrieb. Im Rahmen der CLFL baut das Fraunhofer IAP eine Technikumsanlage für die Carbonisierung (Black-Line) und eine Pilotanlage zur Herstellung der Vorläuferfasern (White-Line-Pilotanlage) in Brandenburg auf.

Die BTU Cottbus-Senftenberg / Institut für Leichtbau und Wertschöpfungsmanagement entwickelt zu den neuartigen Carbonfasern passende biogene Schlichtesysteme, um das Verstärkungspotential in späteren Anwendungen voll ausschöpfen zu können und ein möglichst ökologisches Gesamtsystem zu erhalten. Darüber hinaus wird an umweltfreundlichen Kompositen aus modifizierten Naturfasern in Kombination mit reststoff- oder biobasierten Matrices geforscht, die eine nachhaltige Alternative zu konventionellen Materialsystemen wie Glasfaserverstärkungen darstellen. Um zukunftsfähig zu bleiben, engagiert sich der Fachbereich zu diesen Themenstellungen zudem mit der Aus- und Weiterbildung zu diesen von Schüler/innen aus Schulen in der Region Lausitz.

Die Entwicklung wird am Fraunhofer IAP und der BTU Cottbus-Senftenberg durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA mit Personalmitteln in Höhe von 5 Millionen Euro über vier Jahre bis Juni 2027 gefördert (Förderkennzeichen: 46SKD154A/B). Die Mittel stellt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des Programms »Stärkung der Transformationsdynamik und Aufbruch in den Revieren und an den Kohlekraftwerkstandorten« (STARK) bereit.

Die TU Chemnitz / Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung baut in Boxberg/Sachsen eine Pilotanlage zur Carbonisierung (Black-Line-Pilotanlage) auf – als Außenstelle der TU Chemnitz. Um die gesamte industrienahe Fertigungskette bis zum Bauteil abzubilden, sollen die neuartigen Carbonfasern darüber hinaus zu zweidimensionalen technischen Textilien, thermoplastischen Tapes und Profilen im Pilotlinienmaßstab weiterverarbeitet und erforscht werden. Das Budget von mehr als 62 Millionen Euro wird vom Sächsisches Staatsministerium für Infrastruktur und Landesentwicklung in Zusammenarbeit mit dem Sächsischen Staatsministerium für Regionalentwicklung bereitgestellt.

Die Carbon Lab Factory Lausitz bildet eine weltweit einzigartige Forschungs- und Entwicklungsumgebung ab, die sämtliche Schritte von der Materialentwicklung bis zu marktfähigen Produkten umfasst:

Rohstoff

• Entwicklung und Synthese innovativer Materialien für die Vorläuferfaser
• biogene Rohstoffe (z. B. Cellulose)  
• Pilotmaßstab (Bestand / Schkopau)

Spinnfaser

• Herstellung der Vorläuferfaser
• Entwicklung von Spinnprozessen
• Modifizierung der Fasern mit Katalysatoren und Additiven
• Technikumsmaßstab: (Bestand / Potsdam) 
• Pilotmaßstab: (NEU / Guben)

Carbonfaser

• Entwicklung von thermo-mechanischen Prozessen (30 bis 3000 °C)
• Oberflächenaktivierung und Veredlung der Faser
• Labormaßstab: (Bestand / Potsdam)
• Technikumsmaßstab: (NEU / Guben)
• Pilotmaßstab: (NEU / Boxberg)

Bauteil

• Verbundkunststoffe (CFK)
• Gewebe und Gelege
• Tapes und Profile

Die Carbon Lab Factory Lausitz ist eingebettet in die Forschungsinfrastruktur in der Lausitz, wo beispielsweise auch der Lausitz Science Park ein zukünftiger Andockpunkt für gemeinsame Initiativen mit dort ansässigen Innovationstreibern ist.

Der Lausitz Science Park ist ein entstehender Wirtschafts- und Wissenschaftspark im Umfeld der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus‑Senftenberg in Cottbus (niedersorbisch: Chóśebuz). Ziel ist es, Forschung, Unternehmen und Ausgründungen räumlich eng miteinander zu vernetzen und so Innovation, Technologietransfer und wirtschaftliche Entwicklung in der Lausitz zu stärken.

Der Park konzentriert sich auf mehrere Zukunftsfelder: Energiewende und Dekarbonisierung, Gesundheit und Life Sciences, Globaler Wandel und Transformationsprozesse sowie Künstliche Intelligenz und Sensorik. In diesem Umfeld arbeiten wissenschaftliche Einrichtungen, Transferinitiativen und Industriepartner zusammen. Dazu gehören unter anderem das Center for Hybrid Electric Systems Cottbus (CHESCO), das Energie‑Innovationszentrum und das DLR‑Institut für elektrifizierte Luftfahrtantriebe sowie Industrieakteure wie LEAG, BASF Schwarzheide, Deutsche Bahn und Rolls‑Royce.

Durch die räumliche Nähe dieser Akteure können Kooperationen, gemeinsame Entwicklungsprojekte und Testformate frühzeitig entstehen. Der Lausitz Science Park fungiert dabei als zentraler Knotenpunkt für Vernetzung und Innovation im Innovationskorridor zwischen der Lausitz und Berlin.

Der Standort wird im Rahmen des Strukturstärkungsgesetz entwickelt und soll langfristig neue Forschungseinrichtungen, Start-ups sowie kleine und mittelständische Unternehmen anziehen. Damit entstehen zusätzliche Arbeitsplätze und attraktive Arbeitsbedingungen für Wissenschaft, Forschung und technologieorientierte Unternehmen. Gleichzeitig trägt der Park dazu bei, qualifizierte Fachkräfte in der Region zu halten und neue Talente für die Lausitz zu gewinnen.

zum Lausitz Science Park

Cellulose bietet als nachwachsender Rohstoff entscheidende ökologische Vorteile gegenüber herkömmlichen fossilen Ausgangsmaterialien wie Polyacrylnitril (PAN). Auch hinsichtlich der entstehenden Nebenprodukte und eingesetzten Chemikalien ist die Verarbeitung von Cellulose deutlich weniger toxisch. Die molekulare Grundstruktur der Cellulose liefert die Natur – eine aufwendige Synthese, wie sie bei PAN notwendig ist, entfällt.

Ein weiterer Vorteil liegt in der enormen Flexibilität: Je nach Spinnverfahren und Spinnprozessparameter lassen sich unterschiedliche Faser- und damit spätere Carbonfaserstrukturen einstellen, etwa im Hinblick auf Orientierungsgrad, Kristallinität, Durchmesser, Querschnittsform, spezifische Oberfläche oder Porosität.

Additive wie Lignin, das wie Cellulose aus Holz gewonnen wird, lassen sich direkt in die Spinnlösung einarbeiten und steigern so die Kohlenstoffausbeute bei der späteren Konvertierung zu Carbonfasern erheblich.

Im Prozess der Aktivierung für die spätere Carbonisierung kommt vor allem zum Tragen, dass Cellulosefasern wie ein Schwamm wirken – durchlaufen sie z. B. ein wässriges Bad, saugen sie darin enthaltene Katalysatoren oder funktionelle Wirkstoffe effizient auf. Die Katalysatoren werden dann während der Carbonisierung wirksam. Diese gezielte Modifizierbarkeit ist bislang einzigartig und verschafft der Cellulose einen technologischen Vorsprung als Ausgangsmaterial für nachhaltige Carbonfasern.

Da Cellulose nicht schmelzbar ist, lässt sie sich thermisch stabil umwandeln – eine essenzielle Voraussetzung für den Einsatz als Carbonfaser-Vorprodukt.

Die in die Cellulosefaser eingebrachten Katalysatoren entfalten ihre Wirkung gezielt während der Carbonisierung. Sie beschleunigen den Umwandlungsprozess, senken die notwendige Prozesstemperatur um bis zu 1.000 °C und reduzieren die Verweilzeiten im Ofen. Das spart Energie und Kosten.

Zudem wird die Ausbeute signifikant erhöht: Während bei herkömmlichen Verfahren oft nur rund 15 Prozent der Ausgangsmasse als Carbonfaser erhalten bleiben, ermöglicht der Katalysator- und Additiveinsatz eine Steigerung auf etwa 45 Gewichtsprozent.

Darüber hinaus lassen sich während der Carbonisierung maßgeschneiderte Faserstrukturen und damit Eigenschaften einstellen – etwa durch die gezielte Variation von Temperaturprofilen oder durch mechanisches Strecken.

Diese Anpassungen führen zu optimierten Materialeigenschaften. So erreichen die hergestellten biobasierten Carbonfasern das Niveau erdölbasierter High-Modulus-Carbonfasern aus PAN oder elektrische sowie wärmeleitende Eigenschaften wie man sie von pechbasierten Fasern kennt. Das macht sie für anspruchsvolle Anwendungen – etwa in der Energie- oder Leichtbautechnik – besonders attraktiv.

Am Fraunhofer IAP stellen wir biobasierte Carbonfasern aus nachwachsenden Rohstoffen wie z. B. Cellulose her, die als Ausgangsmaterial für unsere Vorläuferfasern (Präkursor) dient. Carbonisierung bezeichnet dabei den thermischen Umwandlungsprozess, bei dem die organischen Präkursor-Fasern unter hoher Temperatur und Sauerstoffabschluss in kohlenstoffreiche Fasern überführt werden. Zum Beispiel verspinnen wir Cellulose zu endlosen Fasern, mittels industriell etablierter Verfahren wie Viskose- oder Lyocell-Spinnverfahren. Durch den Zusatz von Stoffen wie Lignin, das ebenfalls aus Holz gewonnen wird oder Katalysatoren erhöhen wir die Kohlenstoffausbeute bei der späteren Carbonisierung deutlich.

Die Struktur der Präkursor-Fasern – etwa Porosität, Orientierung der Moleküle, Kristallinität und Querschnittsform – steuern wir gezielt über das Spinnverfahren und die Prozessparameter. So entstehen runde, ovale oder gelappte Fasern. Durch die gezielte Steuerung von Temperatur, Verweilzeit und mechanischer Verstreckung während der sich anschießenden Carbonisierung, stellen wir die elektrischen und mechanischen Eigenschaften sowie den finalen Faserdurchmesser ein. So entstehen u.a. sehr feine Fasern mit Durchmessern deutlich unter vier Mikrometern, die sich besonders für Energiematerial-Anwendungen mit hoher spezifischer Oberfläche eignen, etwa in porösen Trägerstrukturen für Redox-Flow-Batterien oder Gasdiffusionslagen in Brennstoffzellen.

Unsere Carbonfasern eignen sich besonders für den Einsatz in elektrochemischen Energiespeichern wie z. B. Redox-Flow-Batterien. Dort könnten sie in Form eines flächigen, porösen Gefüges – einem sogenannten Carbonfaserfilz – eingesetzt werden. Das dreidimensionale Fasergerüst mit hoher spezifischer Oberfläche, das elektrisch leitfähig, chemisch inert und durchlässig für Elektrolyte ist, eignet sich ideal für die Funktion als permeable Elektrode.

Die Eigenschaften unserer Carbonfasern erfüllen dabei wesentliche Anforderungen: Sie besitzen einen hohen Kohlenstoffanteil, eine exzellente elektrische und thermische Leitfähigkeit, bieten eine gezielt einstellbare spezifische Oberfläche und Porosität und weisen sehr geringe Verunreinigungen auf. Damit bieten sie eine nachhaltige und leistungsfähige Alternative zu fossilen Materialien und leisten einen Beitrag zur Entwicklung langlebiger, effizienter Batteriesysteme.

Unsere Carbonfasern können einen entscheidenden Beitrag zur Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen leisten – insbesondere als Trägermaterial in der Gasdiffusionslage (Gas Diffusion Layer, GDL). Diese besteht in der Regel aus einer Lage Carbonpapier und einer mikroporösen Schicht (MPL). Das Carbonpapier ist dabei unsere adressierte Zielanwendung: Es wird durch Nassablage analog zum Papierherstellungsprozess aus wirr übereinander abgelegten und miteinander verklebten Carbonfasern hergestellt. Die Struktur erlaubt eine gleichmäßige Verteilung von Reaktionsgasen und leitet gleichzeitig Strom und Wärme effizient ab. Zudem ist sie durchlässig für Flüssigkeiten und gewährleistet ein stabiles Wassermanagement innerhalb der Brennstoffzelle.

Für diese Funktion sind hohe Anforderungen an das Carbonfasermaterial zu erfüllen: Es muss chemisch inert, frei von Verunreinigungen (ppm-Bereich), elektrisch und thermisch leitfähig sein. Eine hohe spezifische Oberfläche, sei es durch entsprechend designte Faserquerschnitte (z. B. lobuliert) oder extrem kleine Durchmesser, ist ebenfalls von Vorteil. Unsere Carbonfasern erfüllen diese Eigenschaften außerordentlich gut und bieten damit eine nachhaltige und leistungsstarke Alternative zu konventionellen Materialien in der Brennstoffzellentechnologie.

Unsere Carbonfasern bieten ein hohes Anwendungspotenzial für die Verteidigungstechnik, insbesondere in strukturellen Leichtbaulösungen sowie in funktionellen Komponenten. Durch ihre hohen mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht eignen sie sich für Bauteile in Fahrzeugen, Flugkörpern oder Schutzsystemen – überall dort, wo Gewichtseinsparung und Belastbarkeit von Relevanz sind.

Darüber hinaus verfügen sie über exzellente elektrische und thermische Leiteigenschaften, was sie auch für Anwendungen in der elektromagnetischen Abschirmung, in thermisch belasteten Systemen oder für sensorisch aktive Verbundmaterialien prädestiniert.

Die gezielte Einstellung der Faserstruktur – etwa durch Variation der Porosität, der spezifischen Oberfläche oder Oberflächenfunktionalisierung  – eröffnet zusätzliche Möglichkeiten für funktionsintegrierte Lösungen.