WindLoop – Effiziente Rückführung von Selten-Erde- und Nicht-Eisen-Metallen aus Windenergieanlagen in den Stoffkreislauf
Projektdurchführung
Lars Walch GmbH & Co. KG
Raiffeisenstr. 24
91460 Baudenbach
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Das Ziel des vorliegenden Projektes bestand in einer lückenlosen Erfassung aller deutschen (europäi-schen) Windenergieanlagen (WEA) nach Standort, Baujahr, WEA-Typ, Komponenten, Rohstoffinhalten durch die Fa. Nefino. In Zusammenarbeit mit der Fa. Hagedorn einem norddeutschen Rückbauspezialis-ten war eine Datenbank zu entwickeln, aus der alle rückbauspezifischen Daten, insbesondere aber auch die magnethaltigen Generatoren zu identifizieren sowie die Inhalte an SE-Magneten zu entnehmen sind. Das Ziel der Fa. Walch bestand darin, die bisher nicht erfassbaren SE-Magnete aus den WEA-Generatoren zurückzugewinnen und einer Nutzung als Sekundärrohstoffe zuzuführen. Dazu war eine Zer-legetechnologie zu entwickeln, die eine zerstörungsfreie Entnahme der SE-Magnete erlaubt. In diesen Zusammenhang waren mit wissenschaftlicher Begleitung durch das IART der TU Bergakademie der Zer-legeaufwand (Personal, Energie) und die stoffliche Zusammensetzung der WEA-Generatoren zu doku-mentieren und Einsparpotentiale abzuleiten. Dazu waren insbesondere Entmagnetisierungsuntersuchun-gen im Labor- (IART) und technischem Maßstab (Walch) durchzuführen. Auf Basis einer Vorzugsvariante sollten abschließend Maßnahmen zur Verbesserung der Zerlegetechnologie ausgewiesen werden, mit denen eine Reduzierung des Zerlegeufwands bzw. der bisher unvermeidbaren Umweltbelastungen er-reichbar ist. Unter Berücksichtigung einer Marktanalyse zu den SE-Magnetschrotten waren die erreichba-ren Effekte anhand einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nachzuweisen.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Bearbeitung der Arbeitsschritte erfolgte in Eigenregie der Projekteilnehmer, wobei die Schwerpunkte:
a) Entwicklung einer GIS-basierten WEA-Datenbank durch die Fa. Nefino GmbH,
b) Optimierung des WEA-Rückbaues und Analyse der stofflichen Zusammensetzung durch die Fa. Ha-gedorn Service GmbH,
c) Grundlagenuntersuchungen im Labormaßstab zur Entmagnetisierung der SE-Magnete, Dokumentati-on der Generatorzerlegung sowie abschließende Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durch das IART,
d) Beschaffung und Zerlegung der magneterregten WEA-Generatoren zu marktfähigen Produkten, Ent-magnetisierungsuntersuchungen im technischen Maßstab, Marktanalyse für die SE-Magnetschrotte
durch die Fa. Walch Baudenbach realisiert wurden.
Ergebnisse und Diskussion
Die wichtigsten wissenschaftlich-technischen Ergebnisse des Projektes Windloop können firmenspezifisch wie folgt zusammengefasst werden:
Nefino GmbH
? Reale Rückbaudaten der Hagedorn GmbH wurden in eine GIS-basierte Datenbank überführt.
+ Erstellung von Projektsteckbriefen und Ergänzung von PM- sowie SE-Mengen mittels Regression
+ Erstellung einer typenspezifischen Materialmatrix auf Grundlage der Zuarbeiten von Hagedorn, Ab-schätzung von spezifischen Turmmaterialien und Materialgewichten mittels Interpolation.
? Überführung der Projektsteckbriefe mit SEM- und NEM-Materialien in die GIS-Datenbank, Entwicklung des WebGIS, die Prognosen wurden an Hand realer Projekte validiert und iterativ verbessert.
? Bewertung des Gesamtpotenzials der GIS-basierten Datenbank, Planung weiterer Schritte zur Verbesse-rung der Anwendbarkeit und Genauigkeit der Daten sowie für eine flächendeckende Nutzung des WebGIS im Rahmen von Rückbauaktivitäten.
Hagedorn Service GmbH
? Experteninterviews und Recherchen der WEA mit PM-Generator und zu Turmtypen von WEA (Basis Da-tenblätter und Experteninterviews) wurden an Nefino zur weiteren Bearbeitung übergeben.
? Einsatz des durch die Nefino GmbH entwickelte WebGIS im Rahmen von Rückbau-aktivitäten am Bei-spiel eines Rückbauprojekts. Herausstellen von Vor- und Nachteilen während der Rückbauplanung durch den Einsatz des WebGIS aus Rückbausicht.
TU Bergakademie Freiberg IART
Ausgehend von einem Vorort-Termin am Demontagestandort der Fa. Hagedorn bei Karstädt (Perleberg) konnten durch die Projektbearbeiter wertvolle Eindrücke zum Procedere des WEA-Rückbaues gewon-nen werden. In der Folge wurden durch die Fa. Walch 3 permanentmagnet-erregte und ein elektrisch-erregter WEA-Generator am Markt beschafft und demontiert. Mit wissenschaftlicher Begleitung durch das IART konnte die Dokumentation der Demontageabläufe, des Demontageaufwandes und anhand der Produktmassen auch der stofflichen Zusammensetzung der WEA-Generatoren im Projektzeitraum erfolgen.
? Ausgehend von umfangreichen Grundlagenuntersuchungen zur Entmagnetisierung der Hochleistungs-magnete als Voraussetzung für eine Erfassung der SE-Magnete wurde ein Variantenvergleich auf Basis der VDI 2225 durchgeführt, mittels dessen eine lokale Entmagnetisierung als vorteilhaft dargestellt wer-den konnte. Die Vorzugsvariante wurde der Fa. Walch als Möglichkeit zum Upscaling in den technischen Maßstab vorgeschlagen. Die Erprobung bei der Fa. Walch mittels eines Mietgerätes erfolgte ebenfalls unter Mitwirkung des IART, wobei insbesondere die energetischen aber auch Kostenvorteile bestätigt werden konnten.
? Die sowohl hinsichtlich des Energieaufwandes als auch der Umweltbelastung deutlich verbesserte Vor-zugsvariante wurde abschließend im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsabschätzung mit der Basistechno-logie und alternativen technischen Lösungen verglichen und kritisch bewertet. Mittels dieses Werkzeugs wird die Fa. Walch in die Lage versetzt, den Demontageaufwand hinsichtlich der Personal- und Energie-kosten und die zu erwartenden Metallerlöse fundiert abzuschätzen, so dass eine wirtschaftliche und emissionsarme Rückgewinnung der WEA-Magnete aus den Generatoren möglich wird.
Lars Walch GmbH & Co. KG
Ausgangspunkt zur Realisierung der umfangreichen AP der Fa. Walch war, dass es trotz anfänglicher Verzögerungen gelang, am hart umkämpften Schrottmarkt insgesamt 4 WEA-Generatoren (3 x perma-nentmagnet-erregt und 1 x elektrisch-erregt) zu beschaffen. Diese wurden erfolgreich zerlegt, wobei die SE-Magnete, NE-Metalle bzw. Stahl zurückgewonnen und die Aufwände für Personal und Energie er-fasst werden konnten.
? Im Rahmen der Zerlegearbeiten erarbeitete die Fa. Walch eine Technologie, die sich an klassischen De-montagealgorithmen orientiert. Daraus resultierend erfolgte eine Analyse des Zusammenhanges zwi-schen Zerlegeaufwand und Generatorbaugröße (Masse), welche im Abschlussbericht in Diagrammform dargestellt ist.
? Ausgehend von den Aktivitäten des IART (Analyse der Zerlegetechnologie, Entmagnetisierungsuntersu-chungen wurde durch die Fa. Walch eine verbesserte Zerlegekonzeption entwickelt und auf den Pilot-maßstab übertragen. Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
+ Anhand eines Variantenvergleiches wurde die anfängliche Idee einer mobilen Zerlegeeinheit zur Gene-ratordemontage am WEA-Rückbauort verworfen, weil die meisten Voraussetzungen dafür in den Windparks nicht gegeben sind. Die aufwändige Zerlegung erfordert eine spezialisierte Infrastruktur, die nur an diesbezüglich behördlich genehmigten Standorten betrieben werden darf.
+ Nach der klassischen Technologie müssen die massigen Generatorbauteile (Rotor, Stator) zunächst mittels Plasmabrenner auf die von den E-Stahlwerken geforderten Stückmassen portioniert werden. Die Erfassung der SE-Magnete aus den verschiedenen Einbauzuständen erfordert in jedem Fall aber eineAusgangspunkt zur Realisierung der umfangreichen AP der Fa. Walch war, dass es trotz anfänglicher Verzögerungen gelang, am hart umkämpften Schrottmarkt insgesamt 4 WEA-Generatoren (3 x perma-nentmagnet-erregt und 1 x elektrisch-erregt) zu beschaffen. Diese wurden erfolgreich zerlegt, wobei die SE-Magnete, NE-Metalle bzw. Stahl zurückgewonnen und die Aufwände für Personal und Energie er-fasst werden konnten.
? Im Rahmen der Zerlegearbeiten erarbeitete die Fa. Walch eine Technologie, die sich an klassischen De-montagealgorithmen orientiert. Daraus resultierend erfolgte eine Analyse des Zusammenhanges zwi-schen Zerlegeaufwand und Generatorbaugröße (Masse), welche im Abschlussbericht in Diagrammform dargestellt ist.
? Ausgehend von den Aktivitäten des IART (Analyse der Zerlegetechnologie, Entmagnetisierungsuntersu-chungen wurde durch die Fa. Walch eine verbesserte Zerlegekonzeption entwickelt und auf den Pilot-maßstab übertragen. Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
+ Anhand eines Variantenvergleiches wurde die anfängliche Idee einer mobilen Zerlegeeinheit zur Gene-ratordemontage am WEA-Rückbauort verworfen, weil die meisten Voraussetzungen dafür in den Windparks nicht gegeben sind. Die aufwändige Zerlegung erfordert eine spezialisierte Infrastruktur, die nur an diesbezüglich behördlich genehmigten Standorten betrieben werden darf.
+ Nach der klassischen Technologie müssen die massigen Generatorbauteile (Rotor, Stator) zunächst mittels Plasmabrenner auf die von den E-Stahlwerken geforderten Stückmassen portioniert werden. Die Erfassung der SE-Magnete aus den verschiedenen Einbauzuständen erfordert in jedem Fall aber eine
vollständige Entmagnetisierung. Dies erfolgt klassisch mittels Gasbrenner, wobei neben dem hohen Gasverbrauch auch mit erheblichen Umweltbelastungen durch Brandgase zu rechnen ist.
+ Als Alternative für die Entmagnetisierung mittels Gasbrenner konnte die Variante einer lokal-elektrischen, thermischen Vorbehandlung ermittelt werden. Weil die kompletten Generatorbauteile nicht auf Curietemperatur erwärmt werden müssen, ist bei dieser Methode mit großen Energieeinsparungen und stark reduzierten Emissionen zu rechnen.
+ Die Alternativvarianten zur thermischen Entmagnetisierung großer magnethaltiger Bauteile mittels eines Großofens bzw. auch Lokal-thermisch mittels eines Heißluftgebläses wurden aus Effizienzgründen ebenfalls verworfen.
? Für die im Rahmen des Variantenvergleiches nach VDI 2225 festgestellte Vorzugsvariante zur lokal-elektrischen Entmagnetiserung erfolgten bei der Fa. Walch umfangreiche Untersuchungen mit einem in-dustrietauglichen Mietgerät. Dessen Eignung konnte im Pilotmaßstab nachgewiesen werden, weshalb eine Beschaffung in Erwägung gezogen wurde.
? Abschließend erfolgten des Weiteren auch Untersuchungen zur Zerkleinerung der Cu-Draht-/Al-Band-Wicklungen aus dem elektrisch erregten WEA-Generator sowie thermische Tests zur Bestimmung der Masseanteile an Cu und Speziallack (Isolierung). Damit konnten alle geplanten, versuchstechnischen AP im vollen Umfang realisiert und der anfängliche Verzug vollständig aufgeholt werden.
? Die letzten AP galten zum einen der Einschätzung der Wirtschaftlichkeit bzw. des Potentials zur Verbes-serung des Kosten-Erlösverhältnisses unter Berücksichtigung der aktuellen Marktpreise für Schrottgene-ratoren aus dem WEA-Rückbau. Andererseits erfolgte auch eine Einschätzung des Marktpotentials für SE-Magnetschrotte aus der Zerlegung der WEA-Generatoren. Hierbei konnten die aus der Nefino-Datenbank ableitbaren Prognosen bestätigt werden, wonach für den Wirtschaftskreislauf erst ab ca. 2032 mit größeren Rücklaufmengen an derartigen Schrotten zu rechnen ist. Gleichzeitig ist aber davon auszugehen, dass sich die Marktpreise für die entsprechenden SE-Metalle auf Grund des zukünftig stark ansteigenden Bedarfs auf hohem Niveau stabilisieren werden. Die inländische Verfügbarkeit von SE-Metallen aus sekundären Quellen (Kreislaufführung) wird zukünftig von großer Bedeutung für die Bedarfsdeckung an Technologiemetallen sein. Neben Preisvorteilen dürfte dies auch ein geeignetes Mit-tel sein, um Monopolstellungen abzuschwächen.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Neben den turnusmäßigen Präsentationen der Projektbeteiligten im Rahmen der Ablaufplanung wurde in Abhängigkeit vom Arbeitsstand des hochaktuellen FuE-Projektes schrittweise die Öffentlichkeitsarbeit intensiviert. Von den Projektteilnehmern wurden hierbei jeweils verschiedene Aspekte des WEA-Rückbaues präsentiert. Aus diesen Aktivitäten resultieren auch die sehr guten Kontakte sowohl zu den Verbänden (RDR Wind e,V., VGBE u.a.) als auch zu den WEA-Herstellern (Siemens-Gamesa, Enercon u.a.).
Vorträge zu Konferenzen und Tagungen sowie eine finale Veröffentlichung der Projektergebnisse in der Fachzeitschrift Müll und Abfall 10/2024.
Fazit
Mit der Erfassung der relevanten Windenergieanlagen in einer GIS-basierten Datenbank (Nefino), der Pla-nung und Organisation von Rückbauaktivitäten (Hagedorn) und der fachgerechten wissenschaftlich beglei-teten Zerlegung von WEA-Generatoren (Walch/IART) hat sich das Projekt Windloop einer sehr komplexen Thematik gewidmet. Insgesamt kann konstatiert werden, dass die geplanten Arbeitsprogramme der Pro-jektpartner vollumfänglich bearbeitet werden konnten. Dies ist nicht zuletzt aber darauf zurückzuführen, dass von der DBU unbürokratisch kostenneutrale Verlängerungen bewilligt wurden. Nur dadurch war es z.B. der Fa. Walch möglich, am Markt geeignete magnethaltige WEA-Generatoren zu beschaffen, deren Zerlegung zum Zwecke der Erfassung der SE-Magnete ein wesentlicher Bestandteil des technischen Teils der Arbeitsprogramme war. Mit der GIS-basierten WEA-Datenbank von Nefino steht nunmehr den Rück-bauunternehmen (z.B. Hagedorn) ein praktikables Planungswerkzeug zur Verfügung, um wichtige Informa-tionen zu den Rückbauzeitpunkten sowie den erwartbaren Wertstoffinhalten, insbesondere den SE-Magneten zu erhalten.
Mittels der Versuchsergebnisse im Labormaßstab konnten die Entmagnetisierung der SE-Magnete stark vereinfacht werden, wobei große Energieeinsparungen und Umweltentlastungen nachweisbar sind. Aus der Analyse der Zerlegetechnologie lies sich der Zerlegeaufwand erstmalig hinsichtlich Personal- bzw. Ener-giaaufwand quantifizieren, woraus die Möglichkeit einer umfassenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung resul-tiert. Diese stellt ein leistungsfähiges Werkzeug für eine Aufwands-/Erlösanalyse dar und versetzt die Fa. Walch in die Lage, anhand des Zerlegeaufwandes und der zu erwartenden Wertstoffinhalte die Marktpreise für WEA-Generatoren am Markt bereits vor deren Zerlegung zu beurteilen.
Auf Grund der Projektergebnisse dürften sich die Möglichkeiten einer Erfassung der SE-Magnete aus großformatigen WEA-Generatoren deutlich verbessert haben. Mit der Rückführung der enthaltenen SE-Metalle in den Wertstoffkreislauf wird zukünftig, d.h. ab ca. 2032, ein maßgeblicher Beitrag zur wirtschaft-lichen Unabhängigkeit der deutschen Industrie geleistet werden können.
Des Weiteren ist davon auszugehen, dass der daraus resultierende technologische Vorsprung von den Akteuren dieses Projektes genutzt wird, um Marktpositionen zu festigen und weiter zu entwickeln.