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Forschung Forschungsinstitute Institut für Angewandte Ressourcenstrategien (IARS)

Institut für Angewandte Ressourcenstrategien (IARS)

Der Anstieg der Weltbevölkerung gekoppelt mit steigendem Wohlstand und vielen neuen Innovationen führt zur Herstellung und Nutzung von immer mehr Produkten. Zusätzlich wird durch gezieltes Marketing und geplante Obsoleszenz das End-of-Lifes von Produkten immer früher erreicht. Diese Entwicklungen bedingen einen rasant steigenden Bedarf an Materialressourcen wie Keramiken, Basis- und Technologiemetallen sowie Biomaterialien und fossilen Rohstoffen. Um den ökologischen und ökonomischen Herausforderungen, die die oben genannten Entwicklungen mit sich bringen, und den damit verbundenen sozialen Herausforderungen zu begegnen, ist nachhaltiges ressourcenstrategisches Handeln notwendig. Dazu zählt die Kreislaufführung von Materialressourcen sowie die Substitution von besonders versorgungskritischen Materialien durch weniger kritische sowie generell der effiziente Umgang mit Ressourcen in Produkten und Prozessen. Vor diesem Hintergrund will das Institut für angewandte Ressourcenstrategien (IARS) mit seiner Arbeit dazu beitragen, die oben beschriebenen Herausforderungen im Bereich der Ressourcennutzung zu überwinden.

Ziele

  • Durchführung von anwendungsorientierten Forschungs- und Entwicklungsprojekten
  • Entwicklung von nachhaltigen Technologien (grundsätzlich erfolgt eine Nachhaltigkeitsbewertung der entwickelten Technologien im Hinblick auf ökonomische, ökologische und soziale Faktoren)
  • Up-Scaling der im Labormaßstab entwickelten Technologien und Unterstützung beim Aufbau von Pilotanlagen bei den Industriepartnern
  • Wissenstransfer durch Einbindung von Studierenden und Promovierenden in die Forschung- und Entwicklung, durch Gestaltung weiterer Studiengänge und Weiterbildungsprogramme für Industriepartner (vor allem KMUs)
  • Internationale Zusammenarbeit im Rahmen von Entwicklungsförderungsprojekten im Bereich der Forschung und der Weiterbildung

Erreicht durch die Kompetenzen und Schwerpunkte des Instituts

  • Technologische Wege zur Kreislaufführung von Materialressourcen
    • Innovative und nachhaltige Recyclingtechnologien (Fokus: Materialverbunde und Mischabfälle mit Kunststoff und Metallen)
    • Wege zum ReManufacturing und ReUse
    • Thermische Abfallbehandlung (Fokus: Pyrolyse und Gasifikation)
    • Decarbonisierung und Biokunststoffe
  • Substitution versorgungskritischer Materialien
  • Nachhaltigkeitsbetrachtungen
  • Material- und energieeffiziente Produktion
  • Batterie- und Brennstoffzellenforschung
  • „Waste-to-Energy“ und „Waste-to-Resource“ Forschung

Team

  • Prof. Dr. Gesa Beck, Geschäftsführende und erste wissenschaftliche Direktorin
  • Prof. Dr. Mathias Wickleder, Zweiter wissenschaftlicher Direktor
  • Prof. Dr. Osvaldo Romero
  • Matthias Raab
  • Bum-Ki Choi
  • Adriana Bernal
  • Arantza Ramirez
  • Masterand: Gautam Tyagi

Kooperationspartner

  • Florian Sauer (Leiter Entwicklung), Mairec Edelmetallrecyclinggesellschaft mbH, Alzenau
  • Markus Krall (Geschäftsführer), Krall Kunststoff-Recycling GmbH, Elsenfeld
  • Dr. Till Wolfram (Geschäftsführer), Tungsten Consulting, Berlin
  • Martin Kirsch (Geschäftsführer), Kirsch Kunststofftechnik GmbH, Ebersbach
  • Dr. Wolfram Palitzsch (CTO), Loser Chemie GmbH, Freiberg
  • Prof. Dr. Anke Weidenkaff (Institutsleiterin), Fraunhofer IWKS, Alzenau und Hanau
  • Prof. Dr.-Ing. Alexander Czinki und Prof. Dr.-Ing. Hartmut Bruhm (Laborleiter), Technische Hochschule Aschaffenburg
  • Prof. Dr.-Ing. Bernd Friedrich (Institutsleiter), IME Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling, RWTH Aachen

Laufende Projekte

Technische Entwicklung und Aufbau einer Pilotanlage zum ökonomisch und ökologisch sinnvollen Recycling von Metall/Kunststoff-Verbundmaterialien -ReComp

Der chinesische Einfuhrstopp für verschiedene Abfallarten (besonders Kunststoffabfälle) für 2018 stellt sowohl eine Herausforderung als auch eine Chance für Deutschland und die hiesigen Unternehmen dar, die Verwertung dieser Abfälle im Land zu integrieren. Dafür müssen ökonomisch und ökologisch sinnvolle Technologien entwickelt werden. Im Rahmen des hier beantragten Vorhabens soll als besondere Herausforderung das Recycling für einen Kunststoffverbund – nämlich metallisiertes PC/ABS – betrachtet werden. Diese Verbunde fallen in großen Mengen vor allem bei der Automobilindustrie an und ihr Recycling birgt das Risiko, dass toxische Abwässer entstehen können. Bei dem zu entwickelten Verfahren soll sowohl die Metallschicht (meist Kupfer, Nickel und Chrom) als auch der technische Kunststoff sortenrein wiedergewonnen werden. Neben physikalischen Verfahren werden chemische und elektrochemische Prozesse betrachtet, wobei die Eigenschaften des Kunststoffs nicht negativ beeinflusst werden dürfen. Nach erfolgreichen Laborversuchen sollen die verschiedenen Recyclingwege ökonomisch sowie ökologisch bewertet und eine nachhaltig arbeitende Pilotanlage aufgebaut werden.

Laufzeit: 01.12.2018 – 30.05.2021

Projektpartner: Technische Hochschule Aschaffenburg Krall Kunststoff-Recycling GmbH

Entwicklung und Bewertung innovativer Recyclingwege zur Rückgewinnung von Tantal aus Elektronikabfällen – IRETA 2

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert ein Konsortium aus Wissenschaft und Wirtschaft für die Weiterentwicklung eines innovativen Verfahrens für das Recycling von Tantal aus Elektroaltgeräten mit rund 1.400.000 Euro. Das Verbundprojekt „IRETA 2“ ist das Folgeprojekt des abgeschlossenen Projektes „IRETA“.

Die aktuelle Recyclingrate von Tantal bei End-of-Life Anwendungen von weniger als 0,1 % zeigt klar den Handlungsbedarf für die nationale Recyclingwirtschaft auf. Wegen der unsicheren Versorgungslage wurde Tantal von der Europäischen Kommission 2017 in die Liste der kritischen Rohstoffe aufgenommen und fällt zudem unter die Verordnung über Minerale aus Konfliktgebieten (Verordnung (EU) 2017/821). Dabei ist es ein Schlüsselelement für viele Zukunftstechnologien wie Superlegierungen für Luft- und Raumfahrt, Chemieindustrie, Medizintechnik und im Hauptanwendungsgebiet als Tantal-Kondensator in Elektronik.

Das Ziel des Projektes ist es, einen Gesamtprozess für die Rückgewinnung von Tantal von Leiterplatten aus Elektronikschrott zu entwickeln und die Raffination der gewonnen Tantal-Kondensatoren hin zu elementarem Tantal mit einer Reinheit > 99,5 % durchzuführen. Um dies zu erreichen wird aufbauend auf den Erkenntnissen des Vorgängerprojektes „IRETA“ eine Pilotanlage konzipiert, in der die Kondensatoren auf den Leiterplatten vollautomatisiert erkannt und anschließend laserbasiert entstückt werden. Auf mechanischem und elektrochemischem Weg wird die weitere Aufkonzentration von Tantal durchgeführt. Das entwickelte Anlagenkonzept soll sowohl ökonomischen als auch ökologischen Ansprüchen gerecht werden. Dadurch soll eine Sekundärproduktion aufgebaut werden, die zur Reduzierung von Tantal-Importen aus der Primärproduktion führen wird. Dies bringt ökonomische Vorteile für die Industrie und trägt entscheidend zur Versorgungssicherheit Deutschlands bei.

Laufzeit: 01.03.2020 bis 28.02.2022

Projektpartner:

  • Mairec Edelmetallgesellschaft mbH
  • Robot-Technology GmbH
  • Smart Services SLCR Lasertechnik GmbH
  • Tantec GmbH
  • Tungsten Consulting
  • Bifa Umweltinstitut GmbH
  • Fraunhofer-Anwendungszentrum Ressourceneffizienz ARess

Recycling des Glases und der Zellen aus PV-Anlagen – ReGCell

Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) fördert ein Konsortium aus Wissenschaft und Wirtschaft für die Entwicklung eines ökonomisch und ökologisch sinnvollen Verfahrens zum Recycling von Flachglas- und Siliziumzellen aus Photovoltaik-Dickschichtmodulen mit rund 90.000 Euro. Ziel des Verbundprojekt „ReGCell“ ist die Wiedergewinnung von intakten Siliziumzellen und intaktem Solarglas aus Dickschichtmodulen.

Waren die Abfallmengen durch deinstallierte PV-Anlagen in der EU bisher gering (im Jahr 2008 waren es 3.800 t), so werden diese Abfallmengen zukünftig deutlich zunehmen. Während heute ca. 90 % der PV-Module auf kristallinem Silizium und nur etwa 10 % auf Dünnschichttechnologien basieren, steigen die Abfallmengen durch die zunehmende Installation von Dünnschichtsolarzellen auf etwa 20 % im Jahr 2020. Neben den zunehmenden Abfallmengen durch Deinstallation wird gleichzeitig der Bedarf an Rohstoffen durch das steigende Installationsvolumen ansteigen. Deshalb ist die Entwicklung geeigneter Recyclingwege notwendig, die idealerweise eine komplette Wiederverwertung der eingesetzten Materialien ermöglichen.

Der Fokus liegt dabei auf dem Recycling der Dickschichtmodule, da diese auf absehbare Zeit den Hauptanteil an ausrangierten Modulen ausmachen werden. Zum Entlaminieren der Module und zur Entschichtung der Gläser sollen verschiedene chemische sowie thermische Verfahren (Mikrowellen-Prozesse) getestet werden. Bei den chemischen Verfahren sollen im Gegensatz zu den heute überwiegend eingesetzten umwelt- und gesundheitsschädlichen Chemikalien ökologisch unbedenklichere Organosulfonsäuren und organische Lösemittel (Green Chemistry) verwendet werden. Bei aktuellen Recyclingwegen wird das Solarglas hauptsächlich zerstört und dadurch nur dem üblichen Glasrecyclingprozess zugeführt und somit nur als Hohlglas erhalten (Down-Cycling). Dagegen soll dieses Vorhaben den Weg verfolgen, die hochwertigen Eigenschaften des PV-Glases (als Flachglas) zu erhalten und dieses für eine Wiederverwendung (Re-Manufacturing) zur Verfügung zu stellen. Daneben sollen auch die Siliziumzellen intakt bleiben, um auch diese in Anwendungen, bei denen weniger Leistung gefordert ist, wieder verwenden zu können.

Laufzeit: 15.02.2020 bis 14.11.2020 (9 Monate)

Projektpartner:

  • SRH Berlin University of Applied Sciences
  • TH Aschaffenburg
  • Fraunhofer Anwendungszentrum für Ressourceneffizienz (ARess)
  • IME Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling
  • VDE Renewables GmbH  

 

 

Forschungstransfer in die Lehre

Die laufenden und zukünftigen Projekte sowie die Ausstattung des Labors in Adlershof sollen nicht nur einen Beitrag zur Forschung- und Entwicklung leisten, sondern auch in der Lehre genutzt werden.

  • Besprechung und Weiterentwicklung der Forschungsergebnisse mit Studierenden in Lehrveranstaltungen. Konkret in den folgenden Modulen:
    • Materials Science and Physical Chemistry
    • Environmental Analytics
    • Sustainable Residue, Waste and Water Processing Technologies
    • Sustainable Waste Processing and Managing
    • Waste Processing
    • Water Processing
    • Ressource-efficient Production
  • Bearbeitung in Abschlussarbeiten und Projekten
  • Dissertationen

Masterand: Gautam Tyagi

Mit der steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien mit breiter Anwendung in elektronischen Geräten wird in den nächsten Jahren eine riesige Menge an verbrauchten LIBs für das Recycling zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird ein neues elektrochemisches Recyclingverfahren im Labormaßstab entwickelt, um wertvolle Metalle wie Li und Co zurückzugewinnen. Dieser Prozess beschreibt die Entwicklung eines optimierten Entsalzungsverfahrens, um Li & Co aus verbrauchten LIBs in seinen verschiedenen Schritten zu recyceln. In diesem Prozess besteht die Referenzelektrode aus Pl und die Aluminiumelektrode wird als Arbeitselektrode verwendet (umgekehrt) mit anderen Referenzelektroden, die aus Cu und Graphit hergestellt sind. Die elektrolytische Flüssigkeitslösung ist ebenfalls eine Mischung aus Co2SO4 (0,2 mol/l), Li2SO4 (0,2 mol/l) und CH4SO3. Zyklische voltametrische und amperometrische Messungen werden bei verschiedenen Spannungen mit unterschiedlichen Abtastratenwerten durchgeführt. Das Hauptarbeitsziel ist es, gelöste Li2+ und Co2+ Ionen in der Lösung bei verschiedenen Spannungen zu entladen und galvanisch auf der Graphitelektrode abzuscheiden. Prof. Dr. Gesa Beck leitet diese Forschungsarbeit als wissenschaftlicher Hauptbetreuerin.