Kritische Rohstoffe aus Elektrolyseuren rückgewinnen
Für die Energiewende spielt Wasserstoff eine zentrale Rolle. Das Gas wird vor allem mit Hilfe von Elektrolyseuren produziert. Für diesen Prozess sind kritische Rohstoffe wie Metalle der Platingruppe, Seltene Erden oder Nickel als Katalysatoren nötig. Forschende des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie konnten diese Funktionsmaterialien nun zurückgewinnen.
Für die Herstellung von Wasserstoff kommen verschiedene Verfahren in Frage. Bei einem der Verfahren – der Wasserelektrolyse – 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.
Am „Lebensende“ von Elektrolyseuren
Diese kritischen Rohstoffe gilt es zu sichern – ein Vorhaben, dem sich Forschende des HIF unter Leitung der TU Bergakademie Freiberg im Projekt ReNaRe widmen. ReNaRe steht für Recycling – Nachhaltige Ressourcennutzung und ist Teil des Leitprojekts 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 Größe der kritischen Anoden- und Kathodenmaterialien entspricht ungefähr dem Hundertstel eines menschlichen Haares, macht Sohyun Ahn, Doktorandin am HIF, deutlich.
Separierung und Agglomeration
Zur Separierung der Funktionsmaterialien haben sich die Flüssig-Flüssig-Partikelextraktion sowie die Agglomerations-Flotation als geeignet erwiesen. „Die Extraktion ultrafeiner Partikel nutzt 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 hydrophoben Ultrafeinpartikel zu einer einheitlichen Masse zu ermöglichen“, erklärt Sohyun Ahn die Vorgehensweise. Damit sei die Trennung von hydrophilen Feinstpartikeln durch Anhaftung an Gasblasen und Austrag im Schaum möglich: „Mit beiden Verfahren konnten wir bis zu 90 Prozent der kritischen Funktionsmaterialien zurückgewinnen und wieder in den Wertstoffkreislauf bringen.“ Dies sei ein wesentlicher Schritt, um die Wasserstoffelektrolyse wirtschaftlich und nachhaltig zu betreiben.
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 Nutzungszyklusanalysen und technoökonomischen Analysen durchgeführt, um den Nutzen des Recyclings für die Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz quantitativ zu erfassen. Die Forschung ist Teil des Leitprojekts H2Giga des BMBF, in dem die lange Nutzbarkeit und Wiederverwertbarkeit von Wasserstoff-Elektrolyseuren untersucht wird.
(Erschienen im EU-Recycling Magazin 06/2025, Seite 30, Abb.: Ahn, Sohyun)
