Recycling Forschenden gelingt Recycling von Funktionsmaterialien

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Um Wasserstoff zu gewinnen, sind kritische Rohstoffe, wie Metalle der Platingruppe, Seltene Erden oder Nickel, als Katalysator nötig. Forschende des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie haben diese Funktionsmaterialien nun mittels Flotationsverfahren und der Flüssig-Flüssig-Partikelextraktion zurückgewonnen und sie so erneut in den Wertstoffkreislauf gebracht.

Wasserstoff gilt als sauberer Energieträger, der zur Reduzierung von CO2-Emissionen beitragen kann. Im Fokus steht hier besonders grüner Wasserstoff, der durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie hergestellt wird. Zum Einsatz kommt Wasserstoff in der Industrie, zum Beispiel als Rohstoff für die Herstellung von Chemikalien und Stahl, sowie im Verkehrssektor, wo er als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge genutzt wird.

Für die Herstellung von Wasserstoff kommen verschieden Verfahren in Frage – eines ist die Wasserelektrolyse: Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Katalysatoren im Elektrolyseur bestehen aus kritischen Metallen, den sogenannten Funktionsmaterialien. Beim Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur (PEM) kommen vor allem Metalle der Platingruppe, wie Platin, Iridium und Palladium zum Einsatz. Hochtemperaturelektrolyseure verwenden Seltene Erden und Nickel. Diese kritischen Rohstoffe gilt es zu sichern. Ein Vorhaben, dem sich Forschende des Helmholtz-Instituts Freiberg unter Leitung der TU Bergakademie Freiberg im Projekt ReNaRe widmen.

Serienmäßige Herstellung von Wasserstoff-Elektrolyseuren

ReNaRe steht für Recycling – Nachhaltige Ressourcennutzung und ist Teil des Leitprojekts H2Giga. Für die Umsetzung der nationalen Wasserstoffstrategie hat das BMBF drei Leitprojekte für den Einstieg Deutschlands in die Wasserstoffwirtschaft aufgesetzt. Eines davon ist H2Giga, bei dem es um die serienmäßige Herstellung von Wasserstoff-Elektrolyseuren geht. ReNaRe setzt am Lebensende von Elektrolyseuren an, um die verwendeten Materialien und vor allem die kritischen Metalle wieder in den Wertstoffkreislauf zu bringen.

„Wir beschäftigen uns mit dem Recycling von PEM- und Hochtemperatur-Elektrolyseuren, da diese leicht demontierbar sind. Für die Rückgewinnung der Funktionsmaterialien setzen wir Feinstpartikel-Trenntechniken ein. Denn die kritischen Anoden- und Katodenmaterialien liegen als feine Partikel vor. Ihre Größe entspricht ungefähr dem Hundertstel eines menschlichen Haares. Zur Separierung der Funktionsmaterialien haben sich die Flüssig-Flüssig-Partikelextraktion sowie die Agglomerations-Flotation als geeignet erwiesen“, erklärt Sohyun Ahn, Doktorandin am Helmholtz-Instituts Freiberg. Die Extraktion ultrafeiner Partikel nutze ein nachhaltiges Lösungsmittel-Wasser-Kreislaufsystem zur effektiven Trennung hydrophober, also wasserabweisender Kathoden- und hydrophiler (wasseranziehender) Anodenkatalysatoren. Die komplementäre Agglomerations-Flotation verwendet einen innovativen, nachhaltigen hydrophoben Binder, um die Agglomeration der Partikel zu einer einheitlichen Masse zu ermöglichen. „Der Binder basiert auf einer besonderen Emulsionstechnologie, also eines Öl-Wasser-Gemischs, mit einem sehr hohen Wasseranteil, die selektiv hydrophobe Ultrafeinpartikel agglomeriert. Dies ermöglicht die Trennung von hydrophilen Feinstpartikeln durch Anhaftung an Gasblasen und Austrag im Schaum“, beschreibt Sohyun Ahn, Doktorandin am Helmholtz-Instituts Freiberg, die Vorgehensweise. „Mit beiden Verfahren konnten wir bis zu 90 Prozent der kritischen Funktionsmaterialien zurückgewinnen und wieder in den Wertstoffkreislauf bringen. Ein wesentlicher Schritt, um die Wasserstoffelektrolyse wirtschaftlich und nachhaltig zu betreiben.“

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Im Projekt entwickeln die Forschenden nun ein geeignetes Prozessschema, das ein Recycling im technischen Maßstab ermöglicht und anpassungsfähig an aktuelle und zukünftige technologische Entwicklungen ist. Außerdem werden Technologiebewertungen in Form von Lebenszyklusanalysen und technoökonomischen Analysen durchgeführt, um den Nutzen des Recyclings für die Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz quantitativ zu erfassen.

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