Zurück in den Kreislauf Forschenden gelingt Recycling von kritischem Rohstoffe aus Elektrolyseuren

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Innovative Rückgewinnungsverfahren ermöglichen es Forschenden, wertvolle Funktionsmaterialien aus ausgedienten Wasserstoff-Elektrolyseuren zu recyceln. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Nutzung kritischer Rohstoffe im Rahmen der Energiewende.

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 Katalysator nötig. Forschende des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie konnten diese Funktionsmaterialien nun mittels innovativen Flotationsverfahren und der Flüssig-Flüssig-Partikelextraktion zurückgewinnen und sie so erneut in den Wertstoffkreislauf bringen. Die Forschung ist Teil des Leitprojekts H2Giga des BMBF, in dem die Langlebigkeit und Wiederverwertbarkeit von Wasserstoff-Elektrolyseuren untersucht wird.

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. Darüber hinaus kann Wasserstoff auch zur Speicherung von überschüssiger Energie aus erneuerbaren Quellen dienen, was ihn zu einem wichtigen Baustein für eine nachhaltige und klimafreundliche Energiezukunft macht. Laut nationaler Wasserstoffstrategie benötigt Deutschland 2030 voraussichtlich 95 bis 135 Terawattstunden Wasserstoff.

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 HIF unter Leitung der TU Bergakademie Freiberg im Projekt Renare widmen.

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.

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„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. 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 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 HIF, die Vorgehensweise. „Mit beiden Verfahren konnten wir bis zu 90 % der kritischen Funktionsmaterialien zurückgewinnen und wieder in den Wertstoffkreislauf bringen. 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 Lebenszyklusanalysen und technoökonomischen Analysen durchgeführt, um den Nutzen des Recyclings für die Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz quantitativ zu erfassen.

Originalpublikationen:

S. Ahn, S. A. Patil, M. Rudolph: Ultrafine particle recycling - Efficiency of the hydrophobic double emulsion technique for the selective agglomeration and froth flotation of ultrafine cathode catalyst particles from PEM water electrolyzers, in ACS Engineerung, 2025 (DOI: 10.1021/acsengineeringau.4c00042)

S. Ahn, S. A. Patil, M. Rudolph: Influence of surfactants on selective mechanical separation of fine high temperature electrolyzer active materials contributing to circular economy, in Industrial Chemistry & Materials, 2024 (DOI: 10.1039/D4IM00044G)

S. Ahn, M. Rudolph: Development of Fine Particle Mechanical Separation Processes with Representative Catalyst Materials for Recycling PEM Water Electrolyzers Exploiting their Wetting Characteristics, in ChemCatChem, 2024 (DOI: 10.1002/cctc.202300931)

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