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Die Forschenden aus "ReNaRe" beim Jahrestreffen 2024 in Freiberg (© TU BAF)
Im Rahmen des Leitprojekts „H2Giga“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) soll die serienmäßige Herstellung von Elektrolyseuren zur Wasserstofferzeugung gefördert werden, um das im europäischen Green Deal verankerte Ziel, bis 2050 klimaneutral zu werden, zu unterstützen. Elektrolyseure sind Apparate, die mit Hilfe elektrischen Stroms Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Letzterer ist das Zielprodukt und ein zentraler Baustein für CO2-emmissionsfreie Technologien. Es sollen in Deutschland stufenweise bis zum Jahr 2030 rund 10 Millionen Tonnen grüner Wasserstoff produziert werden, d.h. Wasserstoff, der mittels erneuerbarer Energien erzeugt wird, um so zur Reduzierung der CO2-Emissionen beizutragen.
12 Forscherteams des H2Giga-Projekts „ReNaRe: Recycling – nachhaltige Ressourcennutzung“ widmen sich dieser Fragestellung und entwickeln innovative Recycling- und Verwertungskonzepte für sogenannte Protonenaustauschmembran- und Hochtemperaturelektrolyseure. Das Ziel ist, vor allem die in den Elektrolyseur verbauten, wertvollen und kritischen Rohstoffe wie Iridium, Ruthenium, Seltene Erden oder Platin im technischen Maßstab ressourceneffizient und umweltfreundlich zu recyclen und somit auch nach ihrer erstmaligen technischen Nutzung im Kreislauf zu halten. Prof. Dr.-Ing. Urs Peuker, TU Bergakademie Freiberg, Koordinator des Projektes „ReNaRe“ führt weiter aus: „Unser Projekt hat zum Ziel, mögliche technische Ansätze und Prozessrouten aufzuzeigen und für diese erste quantitative Ergebnisse hinsichtlich Wirksamkeit des mechanischen, chemischen und metallurgischen Recyclings zu erarbeiten. Die Konzeption möglicher Recyclingansätze, die immer eine Kombination verschiedener Technologien in verschiedenen Schritten ist, steht im Fokus“.
Das „ReNaRe“ Jahrestreffen 2024, welches vom 17. bis 18. Januar 2024 mit rund 30 Teilnehmenden an der TU Bergakademie in Freiberg stattfand, gab nicht nur Gelegenheit zum persönlichen Austausch zwischen den Forschenden, sondern betonte auch die entscheidende Rolle der Zusammenarbeit zwischen den Forschungsteams.
Um den aktuellen Stand von „ReNaRe“ abzubilden, wurden auf dem Jahrestreffen die neusten Forschungsergebnisse der acht Teilziele präsentiert und eingehend diskutiert. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde bereits ein Ansatz für die Roboter-gestützte Demontage von Elektrolyseur- und Brennstoffzellenstacks in die einzelnen Komponenten entwickelt, wodurch eine materialspezifische Vortrennung ermöglicht wird. Zur Überprüfung der Zuverlässigkeit sind Langzeittests geplant, um automatisierte Demontageprozesse zukünftig zu realisieren. Um die sortenreinen Schichtverbünde innerhalb der Elektrolyseur¬stacks selektiv abzutragen und die enthaltenen Rohstoffe rückzugewinnen, wurde zudem ein innovatives, mechanisches Entschichtungsverfahren entwickelt. Darüber hinaus wurden in „ReNaRe“ mechanische Zerkleinerungsalternativen untersucht und ein sensorbasiertes Trennverfahren adaptiert. Durch die selektive Trennung der einzelnen Stoffklassen wird eine hohe Anreicherung der enthaltenen Wertstoffe ermöglicht, welche ansonsten als Reststoff, d.h. Abfall, aus dem Kreislauf entnommen werden müssten. Daher liegt ein weiterer Arbeitsfokus in der Konzipierung und Erprobung neuer, umweltfreundlicher Recyclingkonzepte unter dem Gesichtspunkt eines „near-zero waste“-Ansatzes, um die Recyclingeffizienz kritischer Rohstoffe signifikant zu erhöhen. Dazu wurden metallurgische Prozessrouten mit hohen Ausbeuten und Reinheiten zur Rückgewinnung metallischer Komponenten wie Platin, die zur Herstellung neuer Elektrolyseure verwendet werden können, entwickelt. Bei solchen metallurgischen Prozessen fällt als Beiprodukt Schlacke an, in der weitere Wertstoffe enthalten sind. Die Charakterisierung und Aufbereitung dieses metallurgischen Reststroms und die Entwicklung eines ganzheitlichen Recyclingverfahrens für die Schlacke stellen ebenfalls Ziele des Projekts „ReNaRe“ dar. Darüber hinaus werden für eine optimierte Rückgewinnung und Wiederverwendung der Materialien in neuen Elektrolyseuren alternative Verwertungswege entwickelt, insbesondere für die metallischen und keramischen Werkstoffe, sofern eine direkte Wiederverwertung in der nächsten Generation an Elektrolyseuren nicht möglich ist. Für die optimierte Rückgewinnung wird parallel an neuen, auf das Recycling abgestimmten Designkonzepten für Elektrolyseure gearbeitet, die es ermöglichen, die Bauteile möglichst einfach zu trennen, um an die Wertstoffe zu gelangen.
Die begleitend durchgeführten Ökobilanzierungen belegen zudem, dass das Recyclingkonzept in „ReNaRe“ von Elektrolyseuren ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich machbar ist. Hierfür war es zentral, dass im Jahr 2023 die Ergebnisse des Konsortiums zusammengetragen, abgestimmt und ganzheitlich betrachtet wurden, sodass erste Prozesskonzepte über alle beteiligten Teiltechnologien zu Prozessschemata vereinigt werden konnten. Diese realistischen Schemata sind die Grundlage der technologisch-ökonomischen Bewertungen.
Um die Rohstoffe der Elektrolyseure im Kreislauf zu halten, kann die Digitalisierung ein bedeutender Treiber und Unterstützer zur Schließung von Stoffkreisläufen sein. Der Zugang zu Informationen aus allen Bereichen der Wertschöpfungskette ist bspw. für die Wiederverwendung, Reparieren und das Recyclen notwendig. Im Zuge der digitalen Transformation besetzt der Umgang mit Informationen eine Schlüsselfunktion und kann ein Wegbereiter in die „Circular Economy“ sein. Im Projekt „ReNaRe“ werden die Informationen bzw. Inhalte ermittelt, die relevant für die Umsetzung von Kreislaufstrategien für die verschiedenen Stoffströme sind und mögliche Herausforderungen und Chancen des Informationsflusses identifiziert. Darauf aufbauend wird ein Konzept zum digitalem Stoffstrominformationsmanagement entwickelt, um so eine nachhaltige (Wieder)Nutzung der Technologiemetalle über den gesamten Lebenszyklus der Elektrolyseure zu ermöglichen.
Der erste erfolgreiche Veranstaltungstag des „ReNaRe“ Jahrestreffens endete mit den Schlussworten von Prof. Dr.-Ing. Urs Peuker, welcher noch einmal die Bedeutung des Projekts zur geplanten Reduzierung der CO2-Emissionen betonte: „Verschiedene technologische Konzepte für die Wasserelektrolyse benötigen chemische Elemente als Katalysatoren, deren Verfügbarkeit, d.h. deren Weltproduktion, sehr gering ist. Schaffen wir es nicht, diese chemischen Elemente nach der Nutzung eines Elektrolyseurs wieder zu verwenden, können wir keine ausreichenden Kapazitäten für grünen Wasserstoff schaffen, ganz abgesehen vom enthaltenen Materialwert.“
Auf dem Programm des zweiten Veranstaltungstags stand die Durchführung einer "Ideenwerkstatt zur Öffentlichkeitsarbeit" sowie ein gemeinsamer Besuch des Bergwerks "Reiche Zeche".
Informationen und alle Neuigkeiten zum Projekt:https://www.wasserstoff-leitprojekte.de/leitprojekte/h2giga
und auf dem H2Giga-LinkedIn-Kanal: https://www.linkedin.com/company/h2giga/
Die Projektpartner:
Kontakt:
DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.
Ramona Simon, Dr. Robin Geiger, Marc Weitbrecht & Dr. Celine Schielke
Technische Universität Bergakademie Freiberg – Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik
Prof. Dr.-Ing. Urs Peuker