Recycling von Windenergieanlagen

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VDI-Veranstaltung des AK Energie und Umwelt 04. Dezember 2018, Bremen

Recycling von Windenergieanlagen

- Herausforderungen und Lösungsansätze -

Prof. Dr.-Ing. Henning Albers, Dr. Frauke Germer, Kalle Wulf B.Sc.

Hochschule Bremen, Institut für Umwelt- und Biotechnik

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Darum geht‘s: noch nicht heute, aber in Zukunft

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Die Gretchenfrage und das Recyclingdilemma Ein Thema: mindestens zwei Meinungen….

Quelle: Capital 19.01.17

Quelle: windkraft-journal 19.01.17

Herwart Wilms (Remondis) Hermann Albers (Bundesverband Windenergie)

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Inhalt

1 Einleitung

2 Zusammensetzung Windenergieanlagen und Materialeinsatz

3 Prognose zu Rotorblattmassen

4 Herausforderungen Verwertung Rotorbätter

5 Schlussfolgerungen

6 RecycleWind

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Aufbau Windenergieanlage

Quelle: Hau, 2014

Eine Narbe ist keine Nabe

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Status quo: Bestand Windenergieanlagen

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000

0 500 1.000 1.500 2.000 2.500

Zu & Rückbau Windenergieanlagen in Deutschland an Land [Anzahl]

Zubau an Land (nach DEWI und DeutscheWindguard GmbH) Rückbau an Land (nach Deutsche Windguard GmbH) kumulierter Bestand

Quelle: nach Deutsche Windguard GmbH 2018, DEWI 2017

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Status quo: Altersstruktur der WEA

Quelle: Fraunhofer IEE (2018)

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Rückbauablauf onshore (I)

Quelle: Deutsche Windtechnik AG (2015)

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Rückbauablauf onshore (II)

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Rückbauablauf onshore (III)

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Rückbauablauf onshore (IV)

Fundamenteinbauteil (FET)

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Rückbauablauf onshore (V)

Herausforderungen:

• Rückbauverfahren

• Rückbaugenehmigung oder -anzeige

• Bemessung der finanziellen Rückstellungen

• Grundstückszustand nach Rückbau Lösungsansatz:

Anforderungskonzept im Sinne von BVT?

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Material

Anteil [Massen-

%]

Masse pro Anlage bei Nennleistung

< 1 MW [Mg]

Recyclingquote [Massen-%]

summierte Schätzung

Beton 60 - 65 ca. 217 37,8

Stahl, Gusseisen 30 - 35 ca. 99 55,0

Betriebsflüssigkeiten < 1 ca. 0,2 55,1

Elektrokomponenten < 1 keine Angaben

Kupfer < 1 ca. 1,4 55,3

Aluminium < 1 ca. 0,2 55,3

PVC < 1 ca. 0,4 55,4

Verbundwerkstoffe 2 - 3 ca. 9,2 57,0

ca. 327

Massenabschätzung

Erfassungsquote 95 %, Wiedereinsatzquote 60 %

Herausforderung: kaum Primärangaben zur Datenlage

Lösungsansatz: Abschätzungen und Prognosen

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Materialverwertung von WEA

Etablierte Recycling Route

Nicht-etablierte Recycling Route

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Materialverwertung von WEA

Nicht-etablierte Recycling Route Demontage

Abbruch

Entsorgung Verwertung als Sekundär-Rohstoffe Aufbereitung

Zerlegung in mobilen oder stationären

Aufbereitungsanlagen Material

Stahl, Grout, Stahlbeton Tragstruktur, Gründungselement

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Materialverwertung von WEA

Abbruch

Entsorgung Verwertung als

Sekundärrohstoffe durch Stahl- und Baustoffindustrie Demontage

Demontage der Turmsegmente und Zerkleinerung vor Ort

Material

Baustahl, Aluminium, Schleuderbeton, Hybridbauweisen

Turm

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Materialverwertung von WEA

Abbruch

Material

Turm

Entsorgung Verwertung als Sekundärrohstoffe oder

Wiederverwendung nach Aufarbeitung

Aufbereitung Zerlegung in Metallfraktionen oder

Aufarbeitung der Verschleißteile Material

Gußeisen, Stähle, Öle

Getriebe

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Materialverwertung von WEA

Abbruch

Material

Turm

Getriebe

Aufbereitung Zerlegung in

Materialfraktionen oder

Stahl, Gusseisen, Kupfer, Seltene Erden, Aluminium

Generator

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Materialverwertung von WEA

Abbruch

Material

Turm

Getriebe

Generator

Problematik Werkstoffvielfalt,

Vielzahl von Fügestellen, Schadstoffgehalte

Entsorgung Kunststoffe:

Stoffliche & energetische Verwertung

Metalle:

Stoffliche Verwertung der Einzelfraktionen

Aufbereitung

Zerlegung, Zerkleinerung und Separierung in Materialfraktionen

Bauteile

Netzanbindung, Steuer- / Regelungseinheiten

Elektronikbauteile

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Materialverwertung von WEA

Abbruch

Material

Turm

Getriebe

Generator

Problematik Werkstoffvielfalt,

Vielzahl von Fügestellen, Schadstoffgehalte

Entsorgung Kunststoffe:

Stoffliche & energetische Verwertung

Metalle:

Stoffliche Verwertung der Einzelfraktionen

Aufbereitung

Zerlegung, Zerkleinerung und Separierung in Materialfraktionen

Bauteile

Netzanbindung, Steuer- / Regelungseinheiten

Elektronikbauteile

Entsorgung

Stoffl. und Energet. Verwertung oder thermische Beseitigung

Aufbereitung

Vorzerkleinerung Shreddern

Material

GFK, CFK (Metalle, PVC, Holz, PUR)

Rotorblatt / Gondel

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Material

Anteil [Massen-

%]

Masse pro Anlage bei Nennleistung

< 1 MW [Mg]

Recyclingquote [Massen-%]

summierte Schätzung

Beton 60 - 65 ca. 217 37,8

Stahl, Gusseisen 30 - 35 ca. 99 55,0

Betriebsflüssigkeiten < 1 ca. 0,2 55,1

Elektrokomponenten < 1 keine Angaben

Kupfer < 1 ca. 1,4 55,3

Aluminium < 1 ca. 0,2 55,3

PVC < 1 ca. 0,4 55,4

Verbundwerkstoffe 2 - 3 ca. 9,2 57,0

ca. 327

Massenabschätzung

Erfassungsquote 95 %, Wiedereinsatzquote 60 %

Herausforderung: kaum Primärangaben zur Datenlage

Lösungsansatz: Abschätzungen und Prognosen

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Aufbau Rotorblatt

Quelle: Henkel AG & Co. KGaA

Quelle Fotos: SGL-Rotec

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Prognose Rotorblattmassen (I)

Einflussfaktoren: 0-1000 kW: 60 % Repowering nach 15 Jahren, 40 % Laufzeitende nach 20 Jahren EEG-Förderung, davon 90 % "Second-Life"

1001-2000 kW: 10 % Repowering nach 15 Jahren, 90% Laufzeitende nach 20 Jahren EEG-Förderung, b davon 10% "Second-Life"

ab 2001 kW: kein Repowering, kein "Second-Life“, 100 % Laufzeitende nach 20 Jahren EEG-Förderung Annahme: 1 MW = 10 Mg Rotorblattmaterial

Status: 04. 2018

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Prognose Rotorblattmassen (II)

Beobachtungen:

• Für Anlagen < 1 MW gibt es einen „Second Life“ Markt

• Anlagen < 1 MW werden länger als 20 Jahre betrieben

• Repowering forciert den Abbau der Anlagen (~ 12 - 15 Jahre Lebenszeit) Einflussfaktoren:

• EEG-Förderung

• Repowering

• Laufzeitverlängerung

• Genehmigungssituation

• Windparkstandort und Windzone

• „Second Life“

Tendenz:

„Es ist festzustellen, dass zu den aktuellen Marktkonditionen für die Mehrzahl von Alt - Windenergieanlagen kein rentabler Weiterbetrieb nach 2020 möglich ist.“

Quelle: Deutsche Windguard, 2016

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Vermeidung

Recycling

Beseitigung Abfall

Produkt (Nicht-Abfall)

Kreislaufwirtschaft - Gesetzlicher Rahmen

Quelle: European Commission (2015)

Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) 2012

§6 Abfallhierarchie

Vorbereitung zur Wiederverwendung

Sonstige Verwertung

1. Priorität: Materialeffizientes Rotorblatt und Laufzeitverlängerung 2. Priorität: „Second Life“

3. Priorität: Recycling

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Vermeidung

Recycling

Beseitigung Abfall

Produkt (Nicht-Abfall)

Stand der Technik: Verwertung von Rotorblättern

Quelle: verändert nach European Commission (2015)

Vorbereitung zur Wiederverwendung

Sonstige Verwertung

Quelle: Geocycle (2015)

Energetisch-stoffliche Verwertung

Zementwerk Lägerdorf

GFK?

CFK

→ z.B. CFK Valley Stade

Deponieverordnung (DepV) 2009:

Organischer Anteil darf nicht mehr als 5 % ausmachen.

Energetische Verwertung nach

dem KrWG 2012 ab: H

_U

: >11 MJ/kg, R1: > 0,65

Quelle: swb-Entsorgung (2015) Quelle: www.cfk- recycling.de (2018)

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Energetisch-stoffliche Verwertung

Herausforderung: Wirtschaftliche, ressourcenschonende Vorzerkleinerung und Weiterverarbeitung der Rotorblätter

Quelle: neowa (2017)

Beispiel neocomp Bremen

Lösungsansatz: Marktdurchdringung

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Energetische Verwertung

Herausforderung: Zurückbleibende Fasern durch unvollständige Verbrennung verursachen Probleme:

• verstopfen Filteranlagen

• verursachen im Fall von Carbonfasern Kurzschlüsse, Stromausfälle oder sogar Brände in elektrostatischen Abscheidern (Limburg/Quicker, 2016)

• zurückbleibende Carbonfaser-Emissionen sind möglicherweise krebserregend

Carbonfasersplitter in SMVA Schlacke (Limburg /Quicker 2016)

Bei der Verbrennung von CFK-

haltigen Abfällen in SMVA wurden alveolengängige Fasern (< 3 µm) in der Schlacke gefunden. (LAGA, 2015)

Lösungsansatz:

Forschung und Entwicklung

Immissionsschutzrechtliche Bewertung der Problematik fehlt bisher

 LAGA Adhoc-AG zu Faserverbünden

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Recycling

Herausforderung:

• Keine Technologie für ein stoffliches Recycling von GFK, im Sinne von Faser zu Faser, vorhanden

• Herausschneiden der CFK-haltigen Abschnitte und Pyrolyse zur stofflichen Verwertung (CFK-valley) kostenaufwendig

• Informationen zur Lage der CFK-Gurte im Blatt fehlen den Verwertern

• Marktpotential für recycelte Fasern schlecht Lösungsansatz:

• Weiterentwicklung der Technologien zur stofflichen Verwertung (mechanische Feinzerkleinerung, thermische Verfahren wie Pyrolyse, chemische Verfahren wie Solvolyse, …)

• Verfahren zur Verbesserung der Qualität/Stoffeigenschaften der recycelten Fasern (Bsp.: Chemisches Ätzen, Post-Silanisierung)

• Marktanalyse der erneuten Verwendung von Glasfasern in Abhängigkeit der

erreichten Stoffeigenschaften

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Optionen nach wissenschaftlichen Untersuchungen Recyclingprozess

Quelle: Spörlein (2017)

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Qualität/Stoffeigenschaften der recycelten Fasern

Herausforderung: Beim thermischen Recyclingverfahren verschlechtern sich wichtige Eigenschaften der Fasern (Zugfestigkeit und Funktionalität der Oberflächenstruktur).

HT heat-treated: 500 °C for 25´

etching: 1 v% HF solution for 2.5´

silanisation: 1 v% APS for 15´

Quelle: Yang et al. (2015)

Chemisches Ätzen:

1 % (v/v) HF- Lösung

 Faserstärke, bzw. Zugfestigkeit regeneriert sich, gleichzeitig Verringerung des

Faserdurchmessers Post-Silanisierung:

1 % (v/v) % APS-Lösung

 Reaktivierung der Silanschlichte.

Die Schlichte ist wichtig für eine gute Faser-Matrix-Adhesion.

Lösungsansatz :

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• Ziele, Aufgaben, Verantwortlichkeiten nicht einheitlich und klar:

wer? was? wie?

• Insgesamt sind steigende und fluktuierende Materialströme zum Ende des Jahrzehnts onshore zu erwarten

• Abfallströme und Behandlungstechnologien und -kapazitäten unterliegen verschiedenen Mechanismen, z. B.:

– Repowering

– Gesetzesänderungen in Abfallrecht und Energierecht (KrWG & EEG) – Internationale „Second-Life Market“ Mechanismen

– Strompreisentwicklungen

Fazit (I)

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• Risiko durch Fasern für den Menschen, die Umwelt noch umfassend zu bewerten

• Stofflich/Energetische Verwertungstechnologien am Markt verfügbar

• stoffliche Verwertung im Sinne von Faser zu Faser erst in wissenschaftlichen Untersuchungen

 „Die Windenergieanlagen sind (noch) nicht komplett grün“

 Die Sicherstellung von Wiederverwendung und Recycling ist weiterhin eine anspruchsvolle Aufgabe

Fazit (II)

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Die Gretchenfrage und das Recyclingdilemma Ein Thema: mindestens zwei Meinungen….

Quelle: Capital 19.01.17

Quelle: windkraft-journal 19.01.17

Herwart Wilms (Remondis) Hermann Albers (Bundesverband Windenergie)

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Verwertungsnetzwerk RecycleWind - selbstlernend und resilient -

Prof. Dr.-Ing. Henning Albers, Dr. rer. nat. Frauke Germer, Kalle Wulf B.Sc.*

Prof. Dr. rer. nat. Stefan Gößling-Reisemann †, Prof. Dr.-Ing. Johannes Kiefer (komm.), Dr. rer. nat. Torben Stührmann**

Dipl.-Ing. Tobias Brinkmann M.Sc., Lukas Metzger M.Sc.

*Hochschule Bremen, Institut für Umwelt- und Biotechnik

**Universität Bremen, Institute for Advanced Energy Systems

*** brands & values GmbH

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• Neuere hochkomplexe Materialien wie Verbünde kommen in den Markt und müssen später verwertet werden

• Informationslage zu Materialien und Massenströmen schlecht

• Kaum geeignete und angepasste Technologien vorhanden

• Gesetzlicher Rahmen unbefriedigend, Verantwortlichkeiten unklar

• Kein Life Cycle-Denken und -Handeln: keine Kommunikation der Beteiligten, keine gemeinsamen Handlungsstrategien, keine Produktverantwortung

• Die deutschen Materialeffizienzziele werden nicht erreicht (ProgRess II)

Status Quo: Allgemeine Situation zur Verwertung

Quelle: Olsen (2015)

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Konzeption eines resilienten und selbstlernenden Verwertungsnetzwerks zur ressourcenschonenden Lenkung der Stoffströme von Rotorblättern.

Projektziel

Resilienz: Anpassungsfähigkeit, Widerstandsfähigkeit, Innovationsfähigkeit und Improvisationsfähigkeit

• technisch-organisatorische Elemente (Puffer, Modularität, Redundanzen…)

• intelligente Vernetzung von Angebot und Nachfrage (z.B.

Ausgleichsfond)

• Marktanreize für innovative Verfahren der Verwertung

• dynamische Bewertung der Recyclingfähigkeit, daran angepasste flexible + marktbasierte Quoten

Selbstlernend: Die beteiligten Akteure entwickeln und vereinbaren selbst Lösungen

• Netzwerk (Daten- und Informationsaustausch)

• Konzept zur interaktiven Selbststeuerung, gestützt durch Rahmenbedingungen und Handlungsvereinbarungen

• Dienstleistungsangebot (Organisation, Datenauswertung, EPD)

Quelle: Spiecker, 2016

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Projekttools

3. Agentenbasierte Modellierungen

• Methode zur Verknüpfung und Simulation des Sozio-technischen Systems

2. Verwertungssystem

• Massen der Bauteile und Materialien

• Rückbauoptionen,

Verwertungstechnologien

• Materialqualitäten und -werte

• Stoffstrommodelle der Prozessketten

→ Umberto 1. Akteursnetzwerk

• relevante Akteure der Prozessketten

• Aufgaben, Einfluss, Verantwortlichkeiten, Interaktionen der Akteure

• Handlungsoptionen

→ BPMN +

Wulf (2018)

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Ziel: resilientes und selbstlernendes Verwertungsnetzwerk

einzuhaltende Rahmenbedingungen bzgl. Material,

Energie, Klimaschutz, Kosten

• Beratung der Akteure

• Netzwerkbildung

• Monitoring der Stoffflüsse

• Ableiten von Resilienz- und Lenkungsstrategien (flexible und

marktbasierte Quoten, EPD, Ausgleichsfond, Pufferlösungen…)

Verwertungsnetzwerk Dienstleistung

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Kurzfristig:

1. Daten zu Prozessen, Stoffströmen, Materialmassen, -zusammensetzungen, und -werten

2. Verbesserung der Transparenz und Interaktion entlang des Lebenszyklus 3. Umweltproduktdeklarationen (EPD) für Rotorblätter

Mittelfristig:

1. Aufbau eines aktiven Verwertungsnetzwerks für Rotorblätter

2. Beratung der einzelnen Akteure hinsichtlich ökologischer Produktentwicklung, Aufbereitungs-und Recyclingtechnologien, Steuerungskonzepten und

Handlungsoptionen im Netzwerk Langfristig:

Referenzprojekt für andere Produktsysteme (Luftfahrzeuge, Elektronik, Automobile)

Ergebnisse

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gefördert durch:

Projektlaufzeit: März 2018 – August 2019

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Henning Albers Tel.: +49 421 5905 2314 Fax: +49 421 5905 4250

henning.albers@hs-bremen.de

Dr. rer. nat. Frauke Germer Tel.: +49 421 5905 2396

Frauke.germer@hs-bremen.de

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Literatur (I)

 Capital (2017): „Windräder können wir nicht recyceln“ Artikel 114-117 Heft 02 Februar 2017

 Deutsche WindGuard GmbH (2016), Status des Windenergieausbaus an Land in Deutschland, Varel. Unter:

http://www.windguard.de/_Resources/Persistent/5f69ea69f71f901b3dd91247f08fd2e0c67c46b8/Factsheet-Status- Windenergieausbau-an-Land-Jahr-2015.pdf (Abruf: 06.06.2016)

 Deutsche Windguard GmbH. 2018. “Installierte Windenergieleistung in Deutschland (2000 - 2017).” https://www.windenergie.de/infocenter/statistiken/deutschland/installierte-windenergieleistung-deutschland (June 18, 2018).

 Deutsche Windtechnik (2015): Bilder zur Verfügung gestellt von Deutsche Windtechnik AG, Bremen

 Deutsches Windenergie-Institut (DEWI). 2017. “Windenergienutzung in Der Bundesrepublik Deutschland (Statusberichte 1993 - 2017).” www.dewi.de.

 European Commission (2015) Directive 2008/98/EC on waste (Waste Framework Directive) http://ec.europa.eu/environment/waste/framework/index.htm (Abruf: 19.10.2015)

 fk-Wind (ohne Jahr): Datenbank, Hochschule Bremerhaven, Institut für Windenergie, Bremerhaven

 Fraunhofer IEE (2018) Windenergie Report Deutschland 2017, Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE, Hg Kurt Rohrig, Fraunhofer Verlag Stuttgart

 Hau, Erich. 2014. Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. 5. Edition. Krailling: Springer Vieweg.

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Literatur (II)

 Neowa (2017): Bilder zur Verfügung gestellt von Neowa GmbH, Lüneburg

 Olsen, S. I. (2015) Technical University of Denmark, Life cycel asssessments map wind turbine lifespan. Unter:

https://www.dtu.dk/english/news/2015/07/life-cycle-assessments-map-wind-turbine-lifespan?id=2cdee1b5-bc87-4923- ba06-5b21306463b2

 Rotortechnik.at (2016). Unter: http://www.rotortechnik.at/Rotor/pix%20rotor/Blattprofil_1.jpg (Abruf: 06.06.2016)

 Sauer, M. & Kühnel, M.(2017). Composites-Marktbericht 2017 Marktentwicklungen, Trends, Ausblicke und Herausforderungen.

 Spiecker, S. (2016) Die drei Resilienzfelder stärken, Unter: https://www.peak-potentials.de/vortr%C3%A4ge-wissen/die- drei-resilienzfelder-st%C3%A4rken/

 Spörlein, M. (2017): Recycling Rotorblätter: Mechanisch-thermisch-chemische Aufarbeitung glasfaserverstärkter Kunststoffe (GFK), Projektbericht, Hochschule Bremen, Masterstudiengang Umwelttechnik, Bremen

 swb-Entsorgung (2015) Funktionsschema MHKW, http://www.swb-entsorgung.de/_media/img/MHKW_Schema_Gross.jpg (Abruf: 29.10.2015)

 Windkraft-Journal (2017): Alte Windkraftanlagen sind sehr gut recyclingbar 19.01.2017

http://www.windkraft-journal.de/2017/01/19/alte-windkraftanlagen-sind-sehr-gut-recyclingbar/97726 (Abruf: 01.03.2017)

 Yang, L., Sáez, E.R., Nagel, U. und Thomason J.L. (2015) Can thermally degraded glass fibre be regenerated for closed-loop recycling of thermosetting composites? Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, volume 72, 167-174