SESAM Gewinnung von Sekundärrohstoffen aus Flugaschen der Müllverbrennung

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1 SESAM Gewinnung von Sekundärrohstoffen aus Flugaschen der Müllverbrennung Referent/-in: Dipl. Ing. Roberta Graf Fraunhofer IBP Verbundpartner Technische Universität München Fraunhofer Institut für Bauphysik Bundesanstalt für Gewässerkunde MARTIN GmbH MVA Ingolstadt 1

2 Motivation Müllverbrennungsanlagen (MVA) als sekundäre Rohstoffquelle? Pro Jahr fallen in deutschen MVAs t Flugasche an Ungenutztes Rohstoffpotential? 2

3 Projektaufbau Quantifizierung des Rohstoffpotentials Systematische Analyse der Zusammensetzung von Flugaschen Identifizierung von Zielelementen Untersuchung der Mobilisierbarkeit Erprobung einer Polymergestützten Ultrafiltration Laborversuche Betrieb Pilotanlage Kontinuierliche ökologische und ökonomische Bilanzierung 3

4 Relevante Anteile: Zielelemente Entscheidungskriterien für die Definition der Zielelemente: Nachweisbarkeit Menge Erzielbare Erträge Mobilisierbarkeit/Rückgewinnbarkeit (Zukunftssicherung - Kritikalität) Identifizierte Zielelemente: Antimon, Blei, Kupfer, Zink & Zinn 4

5 Das Verfahren Polymergestützte Ultrafiltration (PAUF) Regeneration 5

6 Betrachtungsraum für die Prozessoptimierung anhand von Ökobilanzergebnissen Betrachtungsraum SESAM Zielelemente A (Analytik) M (Mobilisierung) PAUF Effizienz Kupfer Zink, Blei Antimon, Zinn Mobilisierung PAUF 3 Flugasche 1 Feedpumpe Mobilisierung 2 Mischer und ph- Einstellung Umwälzpumpe Membran -modul Verwertung Ressourcen Mobilisierungsmittel Emissionen 6

7 kg CO2-Äquivalent Analyse des Verfahrens Treibhauspotential (GWP) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 PAUF Detailanalyse GWP Identische Benennung Abbildung Überschrift Prozess Aufschlüsselung Wirkung Berechnungsgrundlagen Behandlung Aschefiltrat: 128 kg Strom: DE-Mix Polymer Prozesswasser Strom - Umwälzpumpe Strom - Feedpumpe Salzsäure Natronlauge 0,1 0 Beladung Spülen Regeneration

8 kg CO2-Äquivalent Primärroute Kupfer vs. PAUF Behandlung GWP 25 Aktuelle Konzentration Kupfer 0,135 kg/m³ 20 Break-Even Primärroute Kupfer vs. PAUF Behandlung GWP Primärroute Cu PAUF DE-Mix PAUF Braunkohle PAUF Müllverbrennung PAUF Wind 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 kg Kupfer Berechnungsgrundlagen Behandlung Aschefiltrat 1 m³

9 Einsatzmöglichkeiten für sekundäres Kupfer Visualisierung mittels Materialfluss Analyse (MFA) für alle identifizierten Zielelemente 9

10 Zusammenfassung & Ausblick Quantifizierung des Rohstoffpotentials von Flugaschen aus MVAs Identifikation der Zielelemente Antimon, Blei, Kupfer, Zinn und Zink Entwicklung eines PAUF-Verfahrens zur Sekundärrohstoffgewinnung aus Flugaschen Anwendung im Labor- und Pilotmaßstab Prozessoptimierung anhand der ökonomischen und ökologischen Bilanzierung 10

11 SESAM Gewinnung von Sekundärrohstoffen aus Flugaschen der Müllverbrennung Kontakt: Dipl. Ing. Roberta Graf Fraunhofer IBP 0711/

12 Modulare Prozesskette zur dezentralen Rückgewinnung von ausgewählten Technologiemetallen Referent: Dr. Peter Hense Fraunhofer UMSICHT Förderkennzeichen: 033R146 Verbundpartner Fraunhofer UMSICHT Sulzbach-Rosenberg Fraunhofer IPA Stuttgart Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm Kautz Technologies GmbH Willstätt-Legelshurst Fraunhofer IGB Stuttgart Fraunhofer ISC (PrGr IWKS) Alzenau ALBA Electronics Recycling GmbH, Eppingen Hubert Tippkötter GmbH Warendorf 1

13 fraktionierung Vorgehensweise EAG AP 1 l Stoffstrommanagement Rückstandsaufbereitung Vorbehandlung chemische Stofftrennung Ve f AP 0 Bewertung der Prozesskette Etablierte Recyclingwege AP 2 Vorbehandlung Öl Gas AP 3 Thermochemische Stofftrennung Koks AP 4 Mechanische Rückstandsaufbereitung AP 0 Bewertung der Prozesskette AP 5 l Metallfraktionierung Ga Ge Nd Ta AP 6 Anforderungen für die Verwertung agement 2

14 Metalkonzentration [ppm] Metalkonzentration [ppm] Zwischenergebnisse: Stoffstrommanagement Ga Ge Nd Ta In Pr Y Shreddermaterialien LC- Displays Glasfaserkabel Tantalkondensatoren Leiterplatten 3

15 fraktionierung Vorgehensweise EAG AP 1 l Stoffstrommanagement Rückstandsaufbereitung Vorbehandlung chemische Stofftrennung Ve f AP 0 Bewertung der Prozesskette Etablierte Recyclingwege AP 2 Vorbehandlung Öl Gas AP 3 Thermochemische Stofftrennung Koks AP 4 Mechanische Rückstandsaufbereitung AP 0 Bewertung der Prozesskette AP 5 l Metallfraktionierung Ga Ge Nd Ta AP 6 Anforderungen für die Verwertung agement 4

16 Abgelöste Ta-Kond. (%) Zwischenergebnisse: Vorbehandlung Elektrohydraulische Zerkleinerung (EHZ) 100% 75% 97,4% 95,4% 90,2% 50% 25% 0% V1 V2 V Anzahl Impulse Elektrohydraulische Zerkleinerung (EHZ) Leiterplatten Bauteile 5

17 fraktionierung Vorgehensweise EAG AP 1 l Stoffstrommanagement Rückstandsaufbereitung Vorbehandlung chemische Stofftrennung Ve f AP 0 Bewertung der Prozesskette Etablierte Recyclingwege AP 2 Vorbehandlung Öl Gas AP 3 Thermochemische Stofftrennung Koks AP 4 Mechanische Rückstandsaufbereitung AP 0 Bewertung der Prozesskette AP 5 l Metallfraktionierung Ga Ge Nd Ta AP 6 Anforderungen für die Verwertung agement 6

18 Zwischenergebnisse: Thermo-chemische Stofftrennung Kontinuierlicher Pyrolysereaktor Kontinuierlicher Prozess Semimobile Installation Durchsatz: 70 kg/h 7

19 Zwischenergebnisse: Thermo-chemische Stofftrennung Pyrolyse Oxidationsfreie Freilegung der Zielmetalle Keine Bildung von Dioxinen und Furanen Bildung heizwertreicher Öle und Gase In Kombination mit PP-Schmelze: Diesel- / Benzinkraftstoff Kombination mit Halogenierungsreaktor möglich Rückgewinnung der Zielmetalle durch Halogenierung Nutzung halogenhaltiger Abfallstoffe PP-Schmelze Halogenierung 8

20 Zwischenergebnisse: Thermo-chemische Stofftrennung Rückgewinnung von Tantal Leiterplatten Pyrolyse 1. Siebung Glühen c: 31,5 Ma.-% p%: 59,4 % Zerkleinern 2. Siebung Glühen c: 0,74 Ma.-% p%: 95,8 % 9

21 fraktionierung Vorgehensweise EAG AP 1 l Stoffstrommanagement Rückstandsaufbereitung Vorbehandlung chemische Stofftrennung Ve f AP 0 Bewertung der Prozesskette Etablierte Recyclingwege AP 2 Vorbehandlung Öl Gas AP 3 Thermochemische Stofftrennung Koks AP 4 Mechanische Rückstandsaufbereitung AP 0 Bewertung der Prozesskette AP 5 l Metallfraktionierung Ga Ge Nd Ta AP 6 Anforderungen für die Verwertung agement 10

22 Zwischenergebnisse: Metallfraktionierung Metalllösungen Recyceltes Metall Elektrolyse Biosorption (selektiv) Abbildungen: Fraunhofer IGB, Fraunhofer UMSICHT, Seilnacht, CUTEC 11

23 Gallium (mg/l) Gallium (mg/l) Germanium (mg/l) Indium (mg/l) Zwischenergebnisse: Metallfraktionierung Biosorption Zeit (min) Zeit (min) Zeit (min) Zeit (min.) 45 Erfolgreiche Absorption von Ga, Ge, In aus Modelllösungen Übertragbarkeit auf Multimetallmischungen Festbettumlaufreaktor Abbildungen: Fraunhofer IGB 12

24 Stromausbeute [%] Stromausbeute [%] Zwischenergebnisse: Metallfraktionierung Wässrige Elektrolyse 10,0% 80% 7,5% 0,13 g/l 60% 0,13 g/l 5,0% 0,58 g/l 1,2 g/l 40% 0,58 g/l 1,2 g/l 2,5% 3 g/l 20% 3 g/l Wässrige Elektrolyse 0,0% Stromdichte [A/dm²] Ga in Königswasser (Elektrolyt: NaOH) 0% Stromdichte [A/dm²] Ga-Sulfat (Elektrolyt: NaOH) Stromausbeuten von rund 80 % bei Gallium möglich Starke Abhängigkeit von Konzentration, Stromdichte und Anionen Ausweitung auf weitere Metalle Abbildungen: Fraunhofer IPA 13

25 Zwischenergebnisse: Metallfraktionierung Wässrige Elektrolyse Wässrige Elektrolyse Doppelmembranzelle Abscheidung von Gallium Erfolgreiche Abscheidung von Gallium und Indium aus Modelllösungen Doppelmembranzelle Elektrolyttrennung möglich Abscheidung von Indium Abbildungen: Fraunhofer IPA 14

26 fraktionierung Vorgehensweise Ausblick EAG AP 1 l Stoffstrommanagement Rückstandsaufbereitung Vorbehandlung chemische Stofftrennung Ve f AP 0 Bewertung der Prozesskette Etablierte Recyclingwege AP 2 Vorbehandlung Öl Gas AP 3 Thermochemische Stofftrennung Koks AP 4 Mechanische Rückstandsaufbereitung AP 0 Bewertung der Prozesskette AP 5 l Metallfraktionierung Ga Ge Nd Ta AP 6 Anforderungen für die Verwertung agement 15

27 Modulare Prozesskette zur dezentralen Rückgewinnung von ausgewählten Technologiemetallen gagendta + Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 16

28 Gewinnung von Sekundärgraphit aus rezyklierten Kohlenstofffasern Referent/-in: Dipl.-Ing. Elisa Seiler Fraunhofer Forschungsgruppe Partikeltechnologie und Rohstoffinnovationen Verbundpartner TH Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Ulrich Teipel Dieffenbacher GmbH Jochen Kamm Eisenhuth GmbH & Co. KG Thorsten Hickmann 1

29 Ausgangssituation und Ziel Graphit - schwarzer Diamant Graphit ist ein strategischer Werkstoff; einer der wichtigsten Rohstoffe der Zukunft herausragende Eigenschaften zur Produktion von z. B. Elektromotoren und Hochleistungsbatterien, Halbleitern etc. China besitzt 80% der weltweiten Graphitvorkommen, Deutschland besitzt eine Graphit- Mine (in Kropfmühl) Verbrauch z.b in Deutschland: Tonnen, Nettoimport bei Tonnen Sekundärrohstoffwirtschaft Kohlenstofffasern bestehen im Wesentlich aus Graphit In Zukunft werden Kohlenstofffasern vermehrt als Abfall anfallen (Windenergie, Automobil, Luftfahrtindustrie, etc.) Ziel: Die Gewinnung von Sekundärgraphit aus Kohlenstofffasern, mit den Eigenschaften zum Einsatz in Batterien oder Brennstoffzellen Substitution von Graphit 2

30 Vorgehensweise - Projektarbeiten Identifikation der Aufbereitungsstrategie(n) (ggf. Kombination mechanisch und thermische) Fasereigenschaften sollen konstant bleiben Strukturierung der morphologischen Eigenschaften und Graphitisierung zur Anpassung der Produkteigenschaften, zur Anwendung in Energiesystemen Anwendung des Sekundärgraphits als Bipolarplattenmaterial (incl. mechanische und chemische Bauteilprüfungen) Ganzheitliche ökonomische und ökologische Bewertung der Materialien, Technologie u. Produkte 3

31 Mechanische Aufbereitung von CFK Problem: Entstehung von elektrisch leitfähigen Stäuben --> Gefahr für Umwelt und Technik Lösung: Einkapselung und Absaugung Parameterstudie zur Prallzerkleinerung: - Fraktionen beeinflussbar durch Siebgröße, Energieeintrag, Luftabzug, Prallgeometrie Agglomeration der Fasern bei zu kleiner Partikelgröße, aber größtmögliche Harzabtrennung Längliche Fasern für die Pyrolyse zum Erhalt der mechanischen Eigenschaften 4

32 Partikelgrößenmessung entlang der Aufbereitungsstufen Naturgraphit Synthetischer Graphit CF Fasern aus der MW Pyrolyse CFK aus der Zerkleinerung Faserlänge/ Partikelgröße von CFK nur indirketen Einfluss auf die Leitfähigkeit (Dosierfähigkeit und Homogenisierung im Material) 5

33 Mikrowellen-Pyrolyse von CFK Vorteil der MW-Pyrolyse: Aufheizen der Probe von Innen und nicht des Raums um die Probe Parameterstudien zum Einfluss: - Zeit (optimal im Bereich sec.) - Temperatur/ Leistung (ca. 3 kw@915 MHz --> T ca C) - Arbeitsgas (Luft, Argon, Stickstoff) - Beladung (zu gering führt zu verminderter MW- Absorption) Prozesskammer mit Wechselklappe und eingebautem Pyrometer mit Gasspülung 6

34 Leitfähigkeit des Sekundärgraphits In-Plane [S/cm] : 80% NG In-Plane Through Plane 2: 10% MZ-CF, 70% NG 3: 40% MZ-CF, 40% NG 4: 10% MP-CF, 70% NG 5: 40% MP-CF, 40% NG 6: 10% SW-CF, 70% NG 7: 40% SW-CF, 40% NG 8: 10% r-cf, 70% NG 9: 40% r-cf, 40% NG Through Plane [S/cm] Probe 3 und 5 waren spröde MZ: Mech. Zerkleinert 5 2 MP:Mikrowelle Pyrolyse SW: Chem. Trennung r-cf: Kommerzielle NG: Natur Graphit (TG 817) 0 * jede Probe erhält 20% PP (MFI 12) Probe 0 Naturgraphit Partikel Größe ca. 300um 7

35 Verwertung als Bipolarplattenmaterial in der Brennstoffzelle Leitfähigkeiten können durch das Sekundärgraphit erreicht werden. 35,000 30,000 Messungen der Platten PPG 86 und recycelt PPG86RE Zentrale Rolle: Metall-Ionen bei der Aufbereitung Brennstoffzelle deutlich empfindlicher als Redox Flow Batterie Wert in mohm 25,000 20,000 15,000 10,000 PPG86 reppg86 5, RA71_200 15min Ultraschall 2,5 0,000 Oberflächenwiderstand / mohm Durchgandswiderstände / mohm 90 Verteilungssumme V1 R5 Art des Widerstands Verteilungssumme V2 R5 Verteilungssumme Q3 [%] Verteilungssumme V3 R5 Verteilungsdichte V1 R5 Verteilungsdichte V2 R5 Verteilungsdichte V3 R5 2 1,5 1 Verteilungsdiche q3 Bei RA liegt der Durchschnitt der Partikel bei ca. 125µm. Ca 80% der Partikel sind 200µm. Für einen Recycling-Grpahit wäre eine Größe von µm wünschenswert. 20 0, Partikelgröße [µm] 8

36 Ressourceneffizienzpotenzial Neue Sekundärrohstoffquelle für Graphitanwendungen Größere Unabhängigkeit im Bereich der Energiespeicher Zur Zeit benötigt ein KFZ 0,23 kg Graphit, brennstoffzellenbetriebenes Auto würde 4-13 kg an hochwertigem Graphit erfordern Substitution von Naturgraphit: Energieeffizienter bei der Beschaffung und Herstellung UND Schonung der knappen Ressourcen Kreislaufwirtschaft möglich und dadurch können auch Abfallmengen reduziert werden Weiter potenzielle Anwendungen? für BaWü von Bedeutung in den Leitmärkten: Automobilindustrie und Energiemärkte 9

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontaktdaten: Dipl.-Ing. Elisa Seiler Joseph-von-Fraunhofer-Strasse Pfinztal Elisa.Seiler@ict.fraunhofer.de Telefon:

38 Gallium-Kristalle, Foto: PPM Pure Metals GmbH, Langelsheim KONGRESSBW 2017 Wirtschaftsstrategische Rohstoffe für Baden-Württemberg BMBF- Fördermaßnahme r 4 Dr. Torsten Zeller Abteilungsleiter Ressourcentechnik und -systeme Forschungszentrum CUTEC Technische Universität Clausthal Stuttgart, 19. Oktober 2017 R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober 2017

39 Entnahme [in Gt/a] Elemente [in Stk.] Metalle [in Stk.] Einführung Rohstoffsituation Rohstoffentnahmen* Elemente Periodensystem Elemente Metalle * (Erze, Industrie- und Bauminerale) Quelle: Faulstich, Seelig, Zeller 2015 R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

40 Einführung Bundesregierung: Forschungspolitische Strategien Quelle: Mennicken, 2015 R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

41 Einführung Entwicklung der BMBF-Förderlinie Vorstudie Rohstoffnahe Produktion Förderschwerpunkt r Elf rohstoffnahe Produktionsbereiche Strategisch relevante Rohstoffe Industrie mit hohem Materialeinsatz Wirtschaftsstrategische Rohstoffe R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

42 Einführung Kritische Rohstoffe gemäß EU-Definition R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

43 r 4 -Fördermaßnahme Forschungsschwerpunkte Entwicklung von umweltverträglichen technischen Konzepten zur wirtschaftlichen Nutzung von komplexen Erzen bekannter Lagerstätten Entwicklung von Konzepten zur Exploration von Primärrohstoffen Mobilisierung von Aufbereitungs- und Produktionsrückständen Kreislaufführung von Altprodukten Steigerung der Akzeptanz für die Rohstoffgewinnung Begleitmaßnahmen: Integrations- und Transferprojekt (r 4 -INTRA) German Resource Research Institute (GERRI) Nachwuchsgruppen R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

44 r 4 -INTRA unterstützt Vernetzung: Personen: Nachwuchsforscherkongresse, Konferenzen, Clusterbildung... Bereiche: Industrie, Wissenschaft, Politik, Verbände... Öffentlichkeitsarbeit: r 4 -Homepage, Pressearbeit, Veröffentlichungen, Ausstellungen... Innovationskraft: Transfer von Verfahren, Kopplung von Stoffkreisläufen, Realisierung von Demonstrationsanlagen, Handlungsempfehlungen für Fördermaßnahmen... R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

45 Kreislaufführung von Altprodukten Rückgewinnung von Sekundärrohstoffen r 4 -Fördermaßnahme r 4 -INTRA: Clusterbildung der Sekundärrohstoff-Vorhaben nach Art des Abfalls des jeweiligen Prozesses Prozessabwasser Abwasser LanTex, MeXem Prozessabfall Abfall rezent Agree, ARGOS, BIREC, DIBRAS, ECOGAIN, ELEXSA, SESAM, VAFLOW alt (Landfill Mining) REWITA, Theisenschlamm, TransTech, BakSolEx Produktabfall Produkt Nutzung Abfall Add Resources, Gagendta+, MetalSens, MinSem, NeW-Bat, SEMAREC * Doppelnennungen sind möglich; hier ist die Hauptverortung dargestellt. R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

46 Anzahl der Verbünde, die den Rohstoff behandeln r 4 -Fördermaßnahme Zielrohstoffe der Vorhaben in r 4 Primärrohstoffe Sekundärrohstoffe REE Ga In Ge W Co Sn Sb Zn Ag Cu Mo Nb Pb Ta V Ni Li PGE Kritisch nach EU-Kritikalitätsmatrix und/oder DERA-Rohstoffliste R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

47 Situation Baden-Württemberg Kritische Rohstoffe Identifikation kritischer Rohstoffe speziell für die baden-württembergische Industrie Wirtschaftlicher Gewichtungsindex, Mengenindex, Rohstoff-Risiko-Index 5 Leuchtturmprojekte: Think Tank für Industrie- und Ressourcenpolitik Forschungs- und Entwicklungsverbund Ressourceneffizienz Zentrale Phosphor-Recyclinganlage Demontagefabrik im urbanen Raum Effizienteste Rohstoff-Mine der Welt Quelle: Kroop S, Kaufhold T, Lohmeyer R, Mocker M, Franke M, Faulstich M, Kranert M, Böhme L, Genslein M, Clauß D (2014): Analyse kritischer Rohstoffe für die Landesstrategie Baden-Württemberg R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

48 Situation Baden-Württemberg Kritische Rohstoffe R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

49 Situation Baden-Württemberg Demontagefabrik im urbanen Raum maschinelle Zerkleinerung Demontage F 1 Anhaftungen F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 maschinelle Trennung MA 1 MA 2 MA 3 F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 F 6 Fehlwürfe Verkauf (Endbehandlung) Verkauf (Wiederverwendung/Endbehandlung) R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

50 REE Ga In Ge W Co Sn Sb Zn Ag Cu Mo Nb Pb Ta V Ni Li PGE Anzahl der Verbünde Situation Baden-Württemberg Überschneidungen des Rohstoffbedarfs mit den r 4 -Vorhaben 14 Primärrohstoffe R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

51 Weitere Informationsquellen Internet Die Darstellung der Ziele und Inhalte der r 4 - Fördermaßnahme sowie der insgesamt 40 Verbundvorhaben sind auch im Internet abrufbar unter: R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober

52 Weitere Informationen Klimaschutz durch Recycling KRA in t/t KEA in GJ/t CO 2 -Äquivalent/t Stahl Primär 4,5 21,4 1,6 Stahl Recycelt 0,4 7,2 0,4 Aluminium Primär 10,4 140,7 11,9 Aluminium Recycelt 1,3 16,1 1,0 Zink Primär 13,6 42,3 3,3 Zink Recycelt 2,0* 16,7 2,0* Indium Primär , ,6 149,2 Indium Recycelt Es gibt noch keine etablierten Recyclingverfahren Quelle: eigene Berechnungen und UIP Umweltinnovationsprogramm vom BUMB, 2012 R 4 -Intra Stuttgart 19. Oktober