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Einleitung und Problemstellung

Seit nunmehr fast zwei Jahrzehnten schreibt die Wind ener-gie branche in der Bundesrepublik Deutschland eine ein-drucksvolle Erfolgsgeschichte. Dies hat zur Folge, dass viele Windkraftanlagen der ersten Generationen in den nächs-ten Jahren das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen werden oder aus ökonomischen bzw. ökologischen Gründen bereits vorzeitig repowert werden könnten.In einer Machbarkeitsstudie zur Verwertung von Faser ver-bund werkstoffen kamen das Institut für Umwelt und Biotechnik der Hochschule Bremen sowie die Forschungs- und Koordinierungsstelle Windenergie (fk-wind) der Hoch-schule Bremerhaven gemeinsam zu dem Ergebnis, dass die weltweit zu entsorgende Rotorblattmaterialmenge im Jahr 2020 fast 50.000 t/a betragen wird, wovon nahezu ein Drittel auf Deutschland entfällt. Bis 2034 wird sogar eine weltweite Gesamtmaterialmenge von mehr als 200.000 t/a prognostiziert.Bereits in seiner Februar-Ausgabe 2009 (NO. 34) wirft das DEWI MAGAZIN die Frage auf: „Da die Bestandteile der Altanlagen in vielen Fällen als Abfall anzusehen sind, stellt sich die Frage, wo und wie die Bauteile und Komponenten entsorgt werden können …“.

Introduction and Task in Hand

For almost two decades now, the German wind power industry has been a remarkable success story. However, this also means that many of the first generation wind tur-bines will be reaching the end of their service life in the next few years or may become eligible for repowering pre-maturely for economic or ecological reasons. The Environment and Biotechnology Institute of the Bremen University of Applied Sciences and the Research and Coordination Agency for Wind Power (fk-wind) of the Bremerhaven University of Applied Sciences co-operated on the compilation of a feasibility study on recyclability of fibre compound materials and concluded that the total weight of rotor blades to be disposed of will amount to almost 50,000 t/a by 2020, almost a third of which account-ed for by Germany. The forecast until 2034 predicts an even larger total global amount of material and states figures in excess of 200,000 t/a. The DEWI MAGAZIN already raised the following question in its February edition (No 34): “Given that in many cases the components of the old turbines have to be considered as waste, the question arises where and how the parts and components can be disposed of…”.

Geocycle Provides Sustainable Recycling of Rotor Blades in Cement Plant

Geocycle bietet nachhaltige Verwertung von Rotorblättern im Zementwerk an

E. Schmidl, S. Hinrichs; Holcim (Deutschland) AG

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E. Schmidl

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Für viele Anlagenkomponenten, wie z. B. den Turm, existie-ren bereits heute praktikable Entsorgungsverfahren. Eine völlig andere Situation stellte sich bisher bei ausgedienten Rotorblättern und Gondeln aus faserverstärkten Kunst stof-fen dar. Mit Inkrafttreten der Technischen Anleitung für Sied lungs ab fälle (TASi) wurde im Juni 2005 die Deponierung, der bis zu diesem Zeitpunkt gängige Entsorgungsweg für voluminöse faserverstärkte Kunststoffbauteile, verboten. Einer der Hauptgründe für das Ablagerungsverbot ist der hohe Organik-Anteil der Rotorblätter von ca. 30 Prozent, der den zulässigen Grenzwert von 5 % Kohlenstoff deutlich überschreitet.In den Folgejahren kamen aufgrund mangelnder Optionen teils fragwürdige Methoden wie z. B. die sehr staubintensi-ve Zerkleinerung mit Industriescheren und mobilen Schred-dern zum Einsatz. Nachhaltige Wege standen nach Exper-ten einschätzung zu diesem Zeitpunkt nicht zur Verfügung. Als Gründe hierfür galten:

der Mangel an geeigneten Zerkleinerungswerkzeugen,• der hohe Materialverschleiß,• sowie insbesondere die Gefährdung der Arbeitssicher-• heit und des Gesundheitsschutzes durch Feinstäube und ausgasende Lösemittel.

Projekt: „Nachhaltige Verwertung von Rotorblättern“

Die Holcim (Deutschland) AG, Norddeutschlands führender Zementhersteller, wurde 2005 erstmalig durch einen nam-haften Hersteller von Windkraftanlagen auf die Problematik der zukünftigen Entsorgung von Rotorblättern aufmerksam gemacht. Die in den Folgejahren zunehmenden Anfragen sowie eine steigende Medienpräsenz rückten das Thema immer stärker in den Fokus.Im Frühjahr 2008 startete Holcim mit seinem neuen Ge schäftsbereich „Geocycle“ das Projekt „Nachhaltige Verwertung von Rotorblättern im Zementwerk Lägerdorf“. Ziel war die Entwicklung eines Entsorgungsweges, der pas-send zur „Grünen Technologie“ der Windkraft, eine voll-ständige stoffliche und energetische Verwertung faserver-stärkter Großbauteile bei der Herstellung von Zementklinker sicherstellt. Zentraler Leitgedanke des Projektes war die Herstellung eines Zementes, bei der einerseits ausgediente Rotorblattfraktionen verwertet werden, und wo auf der anderen Seite dieser Zement bei der Errichtung neuer Windkraftanlagen verwendet werden kann. Entscheidende Meilensteine für das Projekt bildeten der erfolgreich durch-geführte Zerkleinerungsversuch eines 1 m langen Blatt seg-men tes auf < 50 mm Kantenlänge in einer Technikumsanlage sowie die Eignung der chemischen Zusammensetzung für den Zementprozess.Mit der Zajons Logistik und Entsorgungsgesellschaft mbH beteiligte sich ein zertifizierter Entsorgungsfachbetrieb mit mehr als zehnjähriger Erfahrung im Bereich der Ersatz-brenn stoffaufbereitung an einem großtechnischen Betriebs-ver such im Werk Lägerdorf; zudem war ein namhafter Wind energieanlagenhersteller am Projekt beteiligt. Zajons ergänzte das von Holcim entwickelte Verfahren um seine Erfahrungen und optimierte die für den Betriebsversuch vorgesehene Zerkleinerungstechnik weiter. Insgesamt 68 Rotorblätter zwischen 20 und 42 Metern Länge wurden mit Hilfe der Versuchsanlagen zerkleinert, von Metall befreit

For many components of the wind turbines – such as the tower, for example – viable recycling methods are in place. However, the situation concerning disused rotor blades and nacelles made from fibre compound materials does not quite look the same. Since the entry into force of the Technical Guideline for Residential Waste Glossary (TASi) in June 2005, landfilling large fibre compound material com-ponents - until then a common disposal method - is no longer permitted. One of the main reasons for the landfill-ing ban is the high proportion of organic substances (about 30%) in the rotor blades, significantly exceeding the per-missible limit of 5% carbon. Due to a lack of viable options, a number of methods were used, some of which proved to be rather questionable, i.e. the very dust-intensive disintegration of the blades with heavy-duty shears or mobile crushers. According to expert opinions, no sustainable methods were available at that point in time. The reasons for this were:

no suitable crushing tools available, • extreme wear and tear of machinery• and, most importantly, occupational safety and health • protection issues concerning fine dust and outgasing solvents.

Project – “Sustainable Utilisation of Rotor Blades”

In 2005, a renowned wind turbine manufacturer brought the issue of future disposal of rotor blades to the attention of Holcim (Germany) AG, the leading cement supplier in northern Germany. In subsequent years, more and more requests were made and the topic was subject to increas-ing media coverage, gaining an increasingly higher profile in the process. In spring 2008, Holcim launched in its new business unit “Geocycle” the project “Sustainable utilisation of rotor blades in the Lägerdorf cement plant”. It was the goal of the project to develop a disposal method that, in line with the spirit of green wind power technology, would ensure complete physical and energetic utilisation of large-scale fibre compound material components in the course of cement clinker production. It was the focal point of the project to produce cement that would not only allow the utilisation of disused rotor blade fragments but that could also be used to build new wind turbines fundaments. Important milestones in the project were the successful attempt to disintegrate a 1 metre blade segment to frag-ments with an edge length < 50 mm in a miniplant and ensure a suitable chemical composition for the cement process step. Zajons Logistik und Entsorgungsgesellschaft mbH, a certi-fied specialist disposal company with more than ten years of experience in the field of substitute fuel processing, came on board to provide their expertise in a technical trial on an industrial scale in the Lägerdorf plant; furthermore, a renowned wind turbine manufacturer was involved in the project. Zajons complemented the process developed by Holcim with their own expertise and experience and fur-ther optimised the planned crushing technique. A total of 68 rotor blades of lengths varying from 20 to 42 metres were crushed in the trial plant, the metal was extracted and afterwards the crushed blades were homogenised with a

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und mit einem zweiten Stoffstrom homogenisiert. Eine trotz Einhaltung aller Vorschriften während des Auf be rei-tungsprozesses aufgetretene Verpuffung sowie der hohe Materialverschleiß verdeutlichten nachdrücklich die gro-ßen Projekt-Herausforderungen bei der Verwertung von Rotorblättern.Nach Anlieferung der aufbereiten Blätter wurde im Mai 2009 im Zementwerk Lägerdorf (Schleswig-Holstein) unter Einhaltung der 17. Bundes-Immisionsschutzverordnung (BImSchV) ein erster großtechnischer Betriebsversuch mit ausgedienten Rotorblättern durchgeführt. Die Dosierung, der Transport und das Ausbrandverhalten des Materials ver liefen dabei problemlos. Sowohl der im Stoffstrom ent-haltene Energiegehalt als auch die anfallenden Aschen wurden im Zementklinkerherstellungsprozess vollständig genutzt. Dies führte letztendlich dazu, dass das neu entwi-ckelte Verfahren nach erfolgreichem Abschluss des Betriebs-ver suches zum Patent angemeldet wurde.

Innovativer Verwertungsweg

Bereits die ersten Gespräche mit Beteiligten aus der Wind-kraft industrie ließen den Wunsch erkennen, einen aus Sicht des Kunden optimalen Verwertungsweg am Standort der Windkraftanlage bzw. dem Lagerplatz der Blätter beginnen zu lassen. Ein solcher Verwertungsweg wurde gemeinsam von den Projektbeteiligten entwickelt:

second material flow. Despite the fact that all rules and precautionary measures were respected, a deflagration occurred during the reconditioning phase, this and the sig-nificant wear and tear of the machinery underlined once more the major project challenges inherent to recycling rotor blades. After delivery of the processed blades, a first industrial scale technical trial to process disused rotor blades was performed according to the specifics of the 17th Federal Emissions Control Ordinance (BImSchV). Dosage, transport and burnout properties of the material were satisfactory. Both the energy content and the accumulated ashes could be used in their entirety in the ensuing cement clinker manufacturing process. In the end, the field tests of the newly developed procedure were concluded successfully and a patent application was filed.

Innovative Recycling Option

Already during the first talks with representatives of the wind power industry it became clear that, in order to meet the customers’ requirements, the recycling process would have to start on the site of the wind turbine or the storage site of the blades, respectively. All parties involved in the projects worked together on a recycling solution:

Use of a mobile cutting technique similar to concrete • dismantling procedures, breaking down the large-scale

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fibre compound components into smaller fragments already on site. Humidification of the cutting site to achieve maximum • reduction of generation of fine dust. The resulting wastewater is collected and returned to the material flow of the rotor blade subsequent to a cleaning cycle in the treatment plant. After this preparatory step, the fragments have an edge • length of ten meter and are shipped to the recycling plant in Melbeck by lorry or train.The blades are transported from the storage place of • the platform to the pre-crushing area of the plant via a mechanical conveying device. Automated saws cut the rotor blades or rotor blade segments into pieces of about 1 m in length. Two specific shredder units cut the components into • pieces with an edge length of < 50 mm.FE and NE metals are separated from the material flow • by technical equipment. A second substitute fuel serving as a substrate material • homogenises the blade fractions and binds the fine dust generated during the crushing process. As a conse-quence, dust emissions are minimised during all ensu-ing material transfers and environmental, health and safety requirements are met.

Der Einsatz einer aus dem Betonrückbau bekannten • mo bilen Schneidetechnik ermöglicht, die faserverstärk-ten Großbauteile bereits vor Ort in kleinere Dimen sio-nen zu überführen.Durch Benetzung der Schnittstelle mit einem Sprüh-• nebel wird eine maximale Reduktion des entstehenden Materialfeinstaubes bewirkt. Das hierbei entstehende Abwasser wird gesammelt und in der Aufbe rei tungs-anlage in den Materialstrom des Rotorblattes zurückge-führt.Die auf ca. 10 m Kantenlänge vorzerkleinerten Teilstücke • werden im Anschluss per LKW oder Bahn in die Auf be-rei tungsanlage nach Melbeck (Niedersachsen) gelie-fert.Über mechanische Transporteinrichtungen gelangen • die Blätter vom Lagerplatz der Plattform in den Vor zer-klei nerungsbereich der Anlage. Mittels automatisch arbeitender Sägen erfolgt die Zerlegung der Rotorblätter bzw. Rotorblattsegmente in ca. 1 m lange Elemente.Nachgeschaltete maschinelle Einheiten sind verantwort-• lich für die Zerkleinerung der Bauteile auf eine Kanten-länge < 50 mm.FE- und NE- Metalle werden mittels entsprechender • Technik aus dem Stoffstrom abgeschieden. Ein als Trägermaterial dienender Ersatzbrennstoff ho -•

Fig. 1: Pre-crushed rotor bladesAbb. 1: vorzerkleinerte Rotorblätter

Fig. 2: Crushed rotor bladesAbb. 2: zerkleinerte Rotorblätter

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mo genisiert die unterschiedlichen Blattfraktionen und bindet bei der Zerkleinerung entstandenen Fein staub. Staubemissionen werden hierdurch bei allen folgenden Materialübergaben auf ein Minimum reduziert sowie der Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz sicherge-stellt.Sämtliche Verfahrensschritte innerhalb der Plattform • werden in gekapselten, vollautomatisierten Systemen durchgeführt. Sie gewährleisten ein Höchstmaß an Ar beits- und Gesundheitsschutz. Ständiger Luftaustausch sorgt dafür, dass weder durch ausgasende Lösemittel noch durch Staubkonzentrationen im Inneren der An la-ge eine Explosionsgefahr entsteht.Das produzierte Materialgemenge wird per LKW ins • Zementwerk Lägerdorf transportiert, in einer vollauto-matisierten Halle gelagert und über Austragsschnecken und Bandstraßen zum Kalzinator gefördert.Im Kalzinator wird die im Stoffstrom enthaltene thermi-• sche Energie zur Kalzinierung (CO2-Abspaltung aus dem Kalkstein) des Rohmaterials genutzt. Die anfallenden Aschen werden in der Klinkermatrix eingeschlossen und dienen entsprechend ihrer Zusammensetzung als Roh-stoff substitut.Nach Durchlaufen des Ofenprozesses und schlagartiger • Abkühlung liegt sogenannter Zementklinker vor, der

All process steps on the platform are performed within • encapsulated, fully automated systems, guaranteeing a maximum protection of occupational health and safety. Due to constant air exchange measures, outgasing sol-vents or dust concentrations within the plant cannot lead to explosion hazards. The end product is taken to the Lägerdorf cement plant • in lorries. Afterwards it is stored in a fully automated storage facility and then transported to the calciner via discharge screw conveyors and conveyor belts.In the calciner, the thermal energy contained in the • material flow is used to calcine (CO2 separation from the limestone) the raw material. The generated ashes are encapsulated in the clinker matrix and can, depend-ing on their composition, serve as a raw material substi-tute.After completing the kiln cycle and abrupt cooling, the • product is called cement clinker, plaster is added and the mixture is ground to cement. This cement is no dif-ferent from other cement in terms of quality and could, for example, be used to build new foundations for wind turbines, bringing everything full circle.

Fig. 3: Main burner kiln 11Abb. 3: Hauptbrenner Ofen 11

Fig. 4: Holcim cement e. g. for new fundamentsAbb. 4: Holcim Zement z. B. für neue Fundamente

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un ter Zugabe von Gips zu Zement vermahlen wird. Die-ser Zement unterscheidet sich qualitativ nicht von an de ren Zementen und könnte z. B. auch zur Fertigung von neuen Fundamenten für Windenergieanlagen ver-wendet werden, womit sich der Stoffkreislauf schließen würde.

Nutzen

Durch die Annahme der ausgedienten Rotorblätter bereits am Standort der Windkraftanlage werden kostenintensive Schwer- bzw. Sondertransporte eingespart und der logisti-sche und administrative Aufwand reduziert. Durch die Überwachung der gesamten Lieferkette und die sichere, saubere und vollständige Verwertung des Rotor blat tes im Holcim Zementwerk ist 100 prozentige Ent sor gungs-sicherheit gewährleistet. Die Wahrung des erworbenen Know-How wird dabei durch die Unterzeichnung von gegen-seitigen Geheimhaltungs er klä rungen gesichert.Die vollständige Einbindung der Rotorblatt-Aschen in die Klinkermatrix sowie die Nutzung des thermischen Ener gie-gehalts der Blätter tragen durch Substitution von primären Roh- bzw. fossilen Brennstoffen zur Schonung von natürli-chen Ressourcen bei. Da keine anderweitige Entsorgung der Rotorblätter z. B. in Müllverbrennungsanlagen mehr statt finden muss, wird nachweislich, wie in Abb. 5 darge-stellt, weniger CO2 emittiert. Durch das Abscheiden für ein Recycling geeigneter FE- und NE- Metalle wird ein höchst möglicher Grad einer optimalen Verwertung angestrebt. Da jegliche Form von Abfällen (wie z. B. Verbrennungs rück-stände) durch das neu entwickelte Verfahren vermieden und der Rotorblatt-Stoffkreislauf geschlossen wird, wird eine weitere Abfallbelastung für nachfolgende Generationen verhindert und ein wichtiger Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet.

Aktuelle Situation und Fazit

Mit dem erfolgreichen Abschluss des Betriebsversuchs im Mai 2009 erfolgte der Startschuss zur Errichtung einer neu-en Aufbereitungsanlage. Ab Februar 2010 können die ers-

Use

By starting the recycling process already on the site of the wind turbines, cost-intensive heavy load or special trans-portation is no longer necessary and logistic and adminis-trative expenses are reduced. By monitoring the entire supply chain and the safe, clean and complete utilisation of the rotor blade in the Holcim cement plant, security of disposal is guaranteed at a 100%. The protection of the acquired knowledge and expertise is ensured via mutual confidentiality agreements.The complete incorporation of the rotor blade ashes into the clinker matrix as well as the use of the thermal energy content of the blades save natural resources by substituting primary raw materials and fossil fuels. Given that no alter-native disposal of the rotor blades, i.e. in waste incinera-tors, is required any longer, there is a proven reduction of CO2 emissions (see Fig. 5). By separating the FE and NE metals that are suitable for recycling, we aspire to a maxi-mum degree of optimal utilisation. Given that any form of waste (such as combustion residue) is avoided by the new procedure and the rotor blade material cycle is closed, we are preventing additional pollution of the environment for the sake of succeeding generations and we are making a significant contribution to sustainability.

Current Situation and Conclusion

With the successful conclusion of the operational trial in May 2009, we paved the way to building a new recycling plant. As of February 2010, the first rotor blades will be processed in the new plant built by Zajons in Melbeck and utilised in the Lägerdorf cement plant, with sufficient stor-age capacity at the plant allowing the delivery of in disused rotor blades already since November 2009. Since the plant is unlikely to reach its full capacity of 6,000 t/a by process-ing rotor blades alone before 2015, production waste from the wind power industry and fibre compound plastics from other industries should also be processed in the newly built plant to be recycled in the cement plant.A statement published by the automotive industry in 2009

Fig. 5: Co-processing vs. IncinerationAbb. 5: Co-processing vs. Verbrennung

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ten Rotorblätter in der von Zajons in Melbeck neu errichte-ten Anlage aufbereitet und im Zementwerk Lägerdorf ver-wertet werden, wobei die Annahme ausgedienter Ro tor-blätter aufgrund der vorhandenen Lagerkapazitäten bereits seit November 2009 möglich ist. Da eine vollständige Aus-las tung der Anlagenkapazität von 6.000 t/a allein durch Ro tor blätter vor 2015 kaum zu erwarten ist, werden Pro-duk tionsabfälle der Windkraftbranche und faserverstärkte Kunststoffe aus anderen Industrien ebenfalls in der neu er rich teten Anlage aufbereitet und im Zementwerk verwer-tet.Eine von der Automobilindustrie im September 2009 veröf-fentlichte Stellungnahme führt auf, dass es sich bei der Mitverbrennung von Duroplasten in Zementwerken gemäß der EU Waste Framework Directive um Recycling handelt.Das Recycling von Rotorblättern aus Windenergieanlagen ist folglich nicht länger Fiktion, sondern Realität. Der Wind-kraftindustrie steht ab sofort ein nachhaltiger Verwertungs-weg zur Verfügung, der die Chance bietet, ähnlich wie von der Photovoltaikindustrie bei ausgedienten Modulen be reits praktiziert, sich zu einer freiwilligen Rücknahme von Altanlagen zu bekennen.Die Kombination aus „Grüner Stromproduktion“ und um welt freundlicher Entsorgung ermöglicht einen vollstän-digen Produktkreislauf für eine nachhaltige Industrie.

Danksagung und Kontaktdaten

Besonderer Dank gilt der Projektpartnerin Zajons Logistik und Entsorgungsgesellschaft mbH, ohne deren Mitwirkung eine Umsetzung des Konzeptes in dieser Form nicht mög-lich gewesen wäre. Des Weiteren möchten sich die Pro jekt-ver antwortlichen von Geocycle sehr herzlich bei den Hoch-schu len Bremen und Bremerhaven und hier im Besonderen bei Herrn Prof. Dr. Henning Albers und Frau Saskia Greiner vom Institut für Umwelt und Biotechnik an der Hochschule Bremen sowie Herrn Prof. Dr. Henry Seifert und Frau Uta Kühne von der Forschungs- und Koordinierungsstelle Wind-ener gie an der Hochschule Bremerhaven für die tatkräftige Unterstützung bedanken.

Weitere Informationen sind erhältlich bei: siehe links

outlines that the co-firing of thermosets in cement plants is defined as a recycling procedure according to the EU Waste Framework Directive. This means that recycling of rotor blades from wind tur-bines is no longer fiction but tangible reality. From now on, the wind power industry is equipped with a sustainable recycling tool, providing the opportunity to offer a volun-tary take-back concept for disused plants, a model already practiced in the photovoltaics industry for disused mod-ules.The combination of “green power generation” and environ-mentally sound disposal provides for a closed product cycle in a sustainable industry.

Acknowledgement and Contact Information

We would like to particularly thank our project partner Zajons Logistik und Entsorgungsgesellschaft mbH, without their assistance it would not have been possible to imple-ment a concept of this order of magnitude.Furthermore, the Geocycle project managers would like to express their heartfelt thanks to the Bremen and Bremerhaven Universities of Applied Sciences in general and particularly to Prof. Dr. Henning Albers and Saskia Greiner from the Environment and Biotechnology Institute of the Bremen University of Applied Sciences as well as Professor Dr. Henry Seifert and Uta Kühne from the Research and Coordination Agency for Wind Power at the Bremerhaven University of Applied Sciences for their active support.

For further information:

Holcim (Deutschland) AGGeocycleWilly-Brandt-Straße 6920457 HamburgTel.: +49 40 / 36 00 24 12Fax: +49 40 / 36 00 24 11www.geocycle.de

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