Alternative Kohlenstoffquelle Vom Kunststoffabfall zum begehrten Rohstoff für Batterietechnologien

Anbieter zum Thema

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

Elementar Analysensysteme GmbH

PIERALISI Northern Europe B.V. NL Deutschland

CAC ENGINEERING GMBH

Graphit aus Plastikmüll? Mit dem Projekt „Carbon Cycle“ entwickelt das ZSW ein neuartiges Verfahren, das Kunststoffreste in wertvollen Kohlenstoff für Batterien verwandelt und damit einen doppelten Beitrag zu Klimaschutz und Rohstoffsicherung leisten könnte.

Vor Kurzem startete das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) das zukunftsweisende Projekt „Carbon Cycle“: Erprobt wird ein innovativer Hochtemperaturprozess, der es ermöglicht, bisher nicht recycelbare Verarbeitungs- und Produktionsreste aus der Kunststoffindustrie thermochemisch in ein wasserstoffreiches Gas und eine feste Kohlenstofffraktion zu zerlegen, die als hochwertiger Sekundärrohstoff genutzt werden kann. Ziel ist die Erzeugung eines Kohlenstoffprodukts hoher Reinheit im Technikumsmaßstab, das Dank seiner strukturellen Eigenschaften zu Aktivmaterialien für den Einsatz in Batterien weiter aufbereitet werden könnte. Im Rahmen des Projektes soll die gesamte Prozesskette bis zu einer Batterie im Labormaßstab abgebildet werden. Die enge Kooperation mit Industriepartnern ermöglicht eine schnelle Überführung der Forschungsergebnisse in die praktische Anwendung. Das ZSW erhält für die dreijährige Projektdauer eine Förderung in Höhe von rund 1 Million Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).

Heute werden Kunststoffreste und -abfälle in Deutschland zu einem großen Teil thermisch verwertet. Der in den Kunststoffen enthaltene Kohlenstoff wird dabei im Verbrennungsprozess zu CO₂ umgesetzt, das dann in die Atmosphäre gelangt und zum Klimawandel beiträgt. Gleichzeitig ist jedoch Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphit, eine essentielle Komponente heutiger Batterien für Elektrofahrzeuge. Etwa 80 % der weltweiten Graphitproduktion entfällt auf China. Graphit wird in der EU als kritischer Rohstoff gelistet und der Bedarf wird weiter zunehmen: Denn nach Schätzungen des ZSW wird allein die jährliche Nachfrage nach Graphit für den Markthochlauf der Elektromobilität von zuletzt knapp 1 Million Tonnen auf 3 bis 4 Millionen Tonnen im Jahr 2030 ansteigen. Die im Projekt Carbon Cycle eingesetzte Hochtemperatur-Drehrohrthermolyse bietet deshalb eine große Chance zur Etablierung resilienter, leistungsfähiger Rohstoffkreisläufe – und das mit dem Ziel die CO₂-Emissionen soweit wie möglich zu reduzieren.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

Fester Kohlenstoff statt Pyrolyseöl

Im Gegensatz zu einer State-of-the-Art Kunststoff-Pyrolyse liegt bei der Hochtemperatur-Drehrohrthermolyse der Fokus nicht auf der Erzeugung von Pyrolyse-Öl, sondern auf festem Kohlenstoff. Unter Sauerstoffausschluss wollen die Wissenschaftler am ZSW Kunststoffe bei bis zu 900 °C erstmalig in eine feste, reine Kohlenstofffraktion und in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Das wasserstoffreiche Gas kann perspektivisch ähnlich wie sogenannter türkiser Wasserstoff aus der Methanpyrolyse als CO₂-armes Brenngas in industriellen Prozessen eingesetzt werden. Im Vergleich zur Methanpyrolyse werden für die gleichen Endprodukte, Wasserstoff und fester Kohlenstoff, jedoch deutlich geringere Temperaturen, weniger Energie und kein fossiles Erdgas als Rohstoff benötigt.

Neue Erkenntnisse zur Katalyse

Zweihundertfach bessere Katalysatoren durch Kohlenstoff

Im Projektverlauf werden am ZSW zunächst Thermolyse-Untersuchungen mit ausgewählten Kunststofffraktionen im Labormaßstab durchgeführt und die erzeugten Kohlenstoffproben im Hinblick auf eine Batterieanwendung in elektro-chemischen Tests charakterisiert und bis hin zu einer Batterie-Halbzelle prozessiert und evaluiert. Auf dieser Grundlage wird der Thermolyseprozess dann am ZSW im Technikumsmaßstab im Leistungsbereich von bis zu 5 kg Kunststoff pro Stunde umgesetzt und validiert. In verschiedenen Testkampagnen sollen wichtige Erkenntnisse zu Kohlenstoffausbeute und -beschaffenheit, Wasserstoffausbeute und Energiebedarfen beim Einsatz unterschiedlicher Reststofffraktionen sowie grundlegende Erfahrungswerte zur Prozessführung und Robustheit der eingesetzten Komponenten und Werkstoffe gesammelt werden.

„Mit dem Projekt wollen wir demonstrieren, dass die Rückgewinnung von Kohlenstoff aus bestehenden industriellen Kunststoffresten technisch möglich und wirtschaftlich umsetzbar ist. Hierin sehen wir einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung einer EU-weiten Kreislaufwirtschaft“, sagt Dr. Jochen Brellochs, Forscher im Fachgebiet Regenerative Energieträger und Verfahren am ZSW. „Gleichzeitig erschließen wir so eine neue Kohlenstoffquelle, die den bisher eingesetzten fossilen Kohlenstoff zumindest in Teilen ersetzen könnte“, so Brellochs weiter.

(ID:50407880)