Chemisch-biotechnologische Gewinnung von Wertstoffen aus Braunkohlenkraftwerksasche Kraftwerksasche

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1 Chemisch-biotechnologische Gewinnung von Wertstoffen aus Braunkohlenkraftwerksasche Kraftwerksasche Dr. S. Reichel und Dr. E. Janneck Gewerbepark Schwarze Kiefern Halsbrücke Tel: Mail: e. janneck@geosfreiberg.de r 3 -Kickoff 17./ Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie

2 Inhalt Verbundvorhaben Kraftwerksasche r 3 Strategische Metalle und Mineralien 2 Freiberg, 17./ Tgb. Nochten Vattenfall Europe Mining

3 Rohstoffsituation Verbundvorhaben Kraftwerksasche Braunkohle in Deutschland: - geologische Vorräte: 77,0 Mrd. t - wirtschaftlich gewinnbare Vorräte: 40,5 Mrd. t - genehmigte Abbaufelder: 5,0 Mrd. t - Produktion (2010) 169,4 Mio. t (Quelle: MIBRAG 2010) Anteil der Braunkohle im Energiemix: Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energieträgern (2012) r 3 Strategische Metalle und Mineralien 3 Freiberg, 17./

4 Rohstoffsituation Verbundvorhaben Kraftwerksasche Braunkohlenförderung in der Lausitz: Braunkohleförderung: 60 Mio. t/a Laufender Ascheanfall: 3 Mio. t/a Kumulierte Aschemengen auf den Landschaftsbauwerken Nochten und Jänschwalde: Mio. t (geschätzt) Quelle: Vattenfall Europe Generation, 2011 r 3 Strategische Metalle und Mineralien 4 Freiberg, 17./

5 Verbundvorhaben Kraftwerksasche Rohstoffsituation Analyse einer Asche aus dem Kraftwerk Schwarze Pumpe (2001) Gehalte an seltenen Metallen in Braunkohlenaschen in ppm Lausitzer und Mitteldeutsches Revier (verschiedene Quellen) Hauptelemente: Si, Al, Ca, Mg und Eisen Schätzung: Gehalt an Wertstoffen: 520 /t Nebenelemente und Spurenstoffe: Wertvolle und z.t. strategische bedeutsame Elemente Geochemie: Anreicherung bestimmter Elemente in der Kohle Kohlen hinsichtlich Gehalt an Spurenelementen: zumindest in der Lausitz und Mitteldeutschland gut untersucht. Bekohlung der Kraftwerke folgt anderen Aspekten r 3 Strategische Metalle und Mineralien 5 Freiberg, 17./

6 Verbundvorhaben Kraftwerksasche Zielstellung - Potenzialbewertung - Wertstoffaufarbeitung / -anreicherung - Wertstoffabtrennung / -gewinnung - Möglichst komplexe stoffliche Verwertung - Prozessvarianten, Variantenbewertung, Verwertungsstrategien r 3 Strategische Metalle und Mineralien 6 Freiberg, 17./

7 Verbundvorhaben Kraftwerksasche Partner Kürzel 1. G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbh G.E.O.S. 2. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover 3. Universität Duisburg-Essen, Aquatische Biotechnologie Biofilm Centre 4. TU Bergakademie Freiberg, Institut für Mineralogie & Institut für techn. Chemie BGR UDE TUBAF 5. RWTH Aachen, Aufbereitung mineralischer Rohstoffe RWTH Projektpartner 6. Bauhaus-Universität Weimar Finger-Institut für Baustoffkunde FIB 7. Nickelhütte Aue GmbH NhA 8. Loser Chemie GmbH Loser Assoziierte Partner 9. Vattenfall Europe Mining AG, Cottbus VEM 10. Solarworld Solicium GmbH, Freiberg SWS r 3 Strategische Metalle und Mineralien 7 Freiberg, 17./

8 Verbundvorhaben Kraftwerksasche Projektstruktur und Arbeitspakete Bearbeitungsebenen Potenzialbewertung Analyse Bewertung Material Vattenfall Aufbereitung mechan. Prozesse RWTH thermische Aufkonzentrierung TU BAF / Minerralogie Gewinnung Laugung TU BAF Chemie Laugung BGR Laugung DUE Laugung GEOS Verwertung Nickelhütte FIB Weimar Loser Chemie SUNICON Prozessbewertung Verwertungstrategie Prozessvarianten Behandlung des Rohmaterials Behandlung Konzentrat aus Aufbereitung Behandlung Konzentrat aus thermischer Aufbereitung Prüfung Wertmetallfraktion Prüfung Silikatfraktion Rohstoffaufkommen Prozessbewertung Verwertungsstrategie Nachhaltigkeitsbewertung Bewertungsmatrix Prüfung SEE haltige Fraktion Mitwirkung Prozessbewertung r 3 Strategische Metalle und Mineralien 8 Freiberg, 17./

9 Arbeitspakete Verbundvorhaben Kraftwerksasche AP Aufgaben Partner 1 Bewertung des Rohstoffpotenziales: Erstellung Kataster: verfügbare Mengen, Aschearten, Wertstoffgehalte, aktuelle Nutzungen Entwicklung einer Bewertungsmethodik 2 Aufbereitungsverfahren zur Anreicherung: Voranreicherung von Wertstoffen in Konzentraten Herstellung ausreichender Konzentratmengen für die Projektpartner Charakterisierung der Asche, Konditionierung der Asche, Anwendung von nass- und trockenmechanischen Sortierverfahren zur Anreicherung Wertstoffen bzw. Reduktion von Störstoffen, Erzeugung von Vorkonzentraten 3 Laugung mit acidophilen Eisen-und Schwefel-metabolisierenden Bakterien: Screening auf neutro- oder acidophile Asche-laugende Bakterien oder Archaeen unter meso- oder thermophilen Anzuchtbedingungen Säurelaugung - Schwefeloxidierer (z.b. Acidithiobacillus thiooxidans) aerobe Bedingungen Reduktive Laugung: Ferredox-Prozess Entwicklung eines mehrstufigen Laugungsprozesses mit untersch. MO GEOS, VEM AMR, TU BAF BGR, UDE, GEOS r 3 Strategische Metalle und Mineralien 9 Freiberg, 17./

10 Arbeitspakete Verbundvorhaben Kraftwerksasche AP Aufgaben Partner 4 Heterotrophe Laugungsprozesse: Stammauswahl, Adaption und Laugung mit Gluconsäure bildenden MO (z.b. Azetobacter methanolicus) Laugung mit silikatsolubilisierenden MO (schwach alkalische Bedg.) Prüfung der Extratktionsraten und Laugungseffektivität 5 Nitrifizierende Laugungsprozesse: Stammauswahl: Rein-, Misch-, Anreicherungskulturen, Optimierung der Medienzusammensetzung, Durchführung Laugungsversuche Prüfung der Extratktionsraten und Laugungseffektivität 6 Chemische und thermische Behandlungsverfahren: Qualitative und quantitative Charakterisierung der Asche (LM, XRD, REM-EDX; EPMA, CL, SNMS) Kristallisation der Aschepartikel mittels thermischer Behandlung zur Elementanreicherung Aufschluss von Braunkohlenaschen mit überkritischem CO 2 Laugung aufgeschlossener Aschen u. Fraktionierte Fällung von SEE Elektrodialytische Aufkonzentrierung von Laugungslösungen und fraktionierte Fällung von Wertmetallen GEOS, UDE, BGR UDE TU BAF r 3 Strategische Metalle und Mineralien 10 Freiberg, 17./

11 Arbeitspakete Verbundvorhaben Kraftwerksasche AP Aufgaben Partner 7 Untersuchung / Entwicklung von Verwertungsverfahren: Einsatz als Baustoff (Zementklinkerherstellung, Compositzemte, Einsatz als puzzolanisch aktiver Zusatzstoff in Mörteln und Betonen, Füller) Aufarbeitung und Prüfung der Produkte und Konzentrate aus mikrobieller & chemische Laugung sowie der thermischen Behandlung Anwendung spezieller Filtertechniken mit Einbau von aktiven, katalytischen Zentren für selektive Trennoperationen Klassische Trennverfahren: IA, Flüssig-Flüssig-Extraktion, selektive Fällung Ziel: verwertbare Produkte 8 Entwicklung von Prozessvarianten und wirtschaftliche Bewertung: Ableitung möglicher Produkte und deren Rückführung in den Stoffkreislauf Erstellung möglicher Technologieschemata Bewertung erreichbarer Produktmengen und qualitäten (ggf. Reststoffe) Betriebswirtschaftliche Bewertung FIB, Loser, NhA BGR, Loser, NhA, UDE, AMR, GEOS, SWS r 3 Strategische Metalle und Mineralien 11 Freiberg, 17./

12 Verbundvorhaben Kraftwerksasche Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Susan Reichel, G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbh Gewerbepark Schwarze Kiefern, Halsbrücke Telefon: ; r 3 Strategische Metalle und Mineralien 12 Freiberg, 17./