Forschung & Entwicklung

Innovation treibt uns an: Wir suchen kontinuierlich nach neuen Ideen und Lösungen, um uns und unsere Prozesse weiterzuentwickeln.

Unser Fokus liegt darauf, innovative Verfahren zu entwickeln, die mehr Rohstoffe recyceln und wertvolle Ressourcen vor der Vernichtung bewahren.

Dabei kooperieren wir eng mit führenden Forschungsinstituten und Hochschulen.

Jede Investition in Forschung und Entwicklung ist für uns eine Investition in die Zukunft – für unsere Gesellschaft und die kommenden Generationen.

Mairec startet Forschungsprojekt zum Recycling von Tantal aus Elektronikschrott

Das Technologiemetall Tantal wird aufgrund seiner besonderen Fähigkeiten in zahlreichen Anwendungsgebieten genutzt. Sein hoher Schmelzpunkt von rund 3000 °C und seine Korrosionsbeständigkeit machen es zu einem begehrten Werkstoff in der Chemieindustrie und Medizintechnik. So werden mit dem grauen Metall chemikalienbeständige Gefäße und Leitungen beschichtet und medizinische Implantate und Instrumente hergestellt.

Das Hauptanwendungsgebiet liegt jedoch im Bereich Elektronik. Als namensgebender Bestandteil von Tantal-Kondensatoren ermöglicht es durch seine besonderen elektrischen Eigenschaften die Konstruktion von Bauteilen, die bei geringem Volumen eine sehr hohe elektrische Kapazität besitzen. Sie werden daher in einer Vielzahl der Elektrogeräte eingesetzt und tragen maßgeblich auch zur deren Miniaturisierung bei.

Die Förderung von Tantal erfolgt zu großen Teilen aus der politisch instabilen „Große-Seen-Region“ in Afrika. Das Metall steht daher im Verdacht, teilweise zur Finanzierung kriegerischer Auseinandersetzungen in Zentralafrika genutzt zu werden und das tantalhaltige Ausgangserz Coltan wird grundsätzlich als Konfliktmineral eingestuft.

Ebenso problematisch ist das Recycling von Tantal aus elektronischen Altgeräten. Da es im herkömmlichen pyrometallurgischen Recycling nicht zurückgewonnen wird, liegt die Recyclingrate von Tantal in diesem Bereich bei unter einem Prozent. Dieser Problematik stellt sich das Forschungsvorhaben IRETA 2, das vom Ministerium für Bildung und Forschung mit rund 875.000 € im Rahmen der „KMU-Innovationsoffensive Ressourcen- und Energieeffizienz“ gefördert wird.

In dem zweijährigen Verbundprojekt entwickeln Partner aus Industrie und Forschung unter der Leitung von Mairec Wege, tantalhaltige Bauteile von Leiterplatten zu entfernen und diese anschließend weiter aufzubereiten. Dabei werden die Bauteile anhand optischer Merkmale automatisiert erkannt und mittels Laser präzise von der Leiterplatte abgetrennt. Über mechanische und chemische Aufbereitung soll am Ende der Prozesskette marktfähiges Tantal produziert werden.

Zusätzlich wird Silber, das in den Tantal-Kondensatoren ebenfalls enthalten ist, vom Tantal separiert und zurückgewonnen. Das Forschungsvorhaben leistet so einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer Recyclingwege durch die kombinierte Nutzung modernster Technologien. So soll nicht nur ein Mehrwert für Kunden generiert, sondern auch ein weiteres Metall vor der Verbrennung gerettet werden.

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Projektpartner:
Mairec Edelmetallgesellschaft mbH, Alzenau
Robot Technology GmbH, Großostheim
SLCR Lasertechnik GmbH, Düren
Smart Services VS GmbH, Seeheim-Jugenheim
SRH Hochschule Berlin GmbH, Berlin
Fraunhofer-Anwendungszentrum ARess

Dauer:
01.03.2020 – 28.02.2022

Ansprechpartner:
Florian Sauer (Projektkoordinator)
Head of Research & Development
Mairec Edelmetallgesellschaft mbH
Telefon +49 6023 9169-21
f.sauer@mairec.com

Mairec beteiligt sich an Forschungsprojekt zum Recycling von Brennstoffzellen

Nachhaltigere, effizientere und umweltfreundlichere Technologien zur Energiewandlung wie Brennstoffzellen werden im Zuge der Energie- und Mobilitätswende eine immer größere Rolle spielen. Schon heute kommen Brennstoffzellen, vor allem Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) in wasserstoffbetriebenen Automobilen zum Einsatz.

Mit der steigenden Verbreitung dieser Technologie wird spätestens 2030 eine größere Menge dieses Brennstoffzellentyps sein Lebensende erreicht haben. Aufgrund des hohen Anteils an wertvollen Technologiemetallen und ökologischen Betrachtungen, ist ein effizientes Recycling von in PEM-Brennstoffzellen enthaltenen Materialien notwendig. Jedoch ist ein für Brennstoffzellen maßgeschneiderter Recyclingprozess derzeit industriell nicht verfügbar.

Dieser Herausforderung stellt sich nun ein Konsortium unter Leitung der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS.

Im Rahmen des Projekts „BReCycle“ erarbeitet das Konsortium, bestehend aus den fünf Forschungs- und Industriepartnern Fraunhofer IWKS, Proton Motor Fuel Cell GmbH, MAIREC Edelmetallgesellschaft mbH, Electrocycling GmbH und KLEIN Anlagenbau AG, ein Kreislaufwirtschaftskonzept speziell für PEM-Brennstoffzellen.

Gefördert wird das Vorhaben innerhalb des 7. Energieforschungsprogramms „Innovationen für die Energiewende“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.

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Beispiel eines Brennstoffzellenstacks © Proton Motor Fuell Cell GmbH

Ziel des Vorhabens ist es, ein nachhaltiges Verfahren zur Aufbereitung von Brennstoffzellen zu entwickeln, mit dem hochwertige Materialfraktionen insbesondere aus der Elektrodenbeschichtung generiert und die Polymermembran abgetrennt werden können. Für den Recyclingmarkt von Brennstoffzellen sind vor allem die wertvollen Edelmetalle wie Platin und Ruthenium von Bedeutung.

Auf diese Metalle sind auch derzeit verwendete allgemeine Recyclingprozesse für Edelmetalle ausgelegt, in denen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen derzeit größtenteils verarbeitet werden. Platin und Ruthenium, sowie weitere wertvolle und seltene Metalle, werden in pyrometallurgischen Metallrecyclingprozessen zurückgewonnen.

Jedoch entstehen beim pyrometallurgischen Recycling von Brennstoffzellen hochgiftige Fluorverbindungen aus der fluorierten Nafion-Membran, wodurch eine großformatige Umsetzung eine sehr aufwendige Abgasreinigung voraussetzt.

Bislang existieren keine industriell effizient einsetzbaren Recyclingprozesse, welche vor der Schmelzaufbereitung die Polymermembranen ausreichend separieren und damit die Gefahr der Entstehung von Fluorwasserstoff im Schmelzprozess unterbinden. Zudem gehen unedlere Metalle wie Stahl oder Aluminium im Prozess größtenteils verloren.

Im Projekt BReCycle soll ein neuer Ansatz entwickelt werden, der einen hohen Rückgewinnungsgrad der eingesetzten Rohstoffe sicherstellt und hinsichtlich Umweltverträglichkeit (insbesondere Energiebilanz) und Wirtschaftlichkeit überlegen ist.

Gleichzeitig sollen Aspekte des kreislaufgerechten Produktdesigns (Design for Recycling bzw. Design for Circularity) untersucht und umgesetzt werden, um die Recyclingfähigkeit von Brennstoffzellen zu erhöhen sowie den Einsatz von Sekundärwerkstoffen im Sinne des Ressourcenschutzes zu forcieren und darauf basierend neue Geschäftsmodelle zu entwickeln.

Das Recyclingverfahren selbst soll sowohl für komplette Brennstoffzellenmodule als auch für einzelne Komponenten ausgelegt sein. Dazu wird zunächst ein Prozess zur Vorzerlegung entwickelt, um Bauteile wie elektrische Anschlüsse oder Kabel zu entnehmen.

Zur weiteren selektiven Zerkleinerung kommt die elektrohydraulische Zerkleinerung (EHZ) zum Einsatz. Dabei werden die vorzerkleinerten Baugruppen in einen mit Wasser gefüllten Reaktor gegeben und mittels Schockwellen (durch elektrische Entladung erzeugte Druckwellen) materialselektiv zerkleinert. Insbesondere soll hier die platinhaltige, katalytisch aktive Schicht auf den Elektroden vom Kunststoff abgetrennt werden.

Die so zerkleinerten Materialien können anschließend über einfache physikalische Trennverfahren wie Sieben und Filtern in die Materialfraktionen Katalysatorpulver und Graphite sowie Polymer und Metalle aufgetrennt werden.

Für die Trennung der Polymermembran von der Metallfracht wird eine Identifizierung mittels IR-Sensorik und entsprechender bauteilselektiver Ausschleusung im Verfahren getestet. Die erhaltenen Metallfraktionen können anschließend über etablierte metallurgische Aufbereitungsverfahren effizient aufbereitet werden.

Durch die angestrebte starke Aufkonzentration der verschiedenen Wertstoffe wie Platin, Ruthenium und andere Metalle aus der katalytisch aktiven Schicht wird beispielsweise bei einer nachgeschalteten nasschemischen Aufbereitung ein deutlich effizienterer Einsatz an Chemikalien benötigt. Die Einsparung von Prozessschritten durch die spezifische Aufbereitung zuvor separierter Wertstoffe bewirkt einen signifikanten ökologischen und insbesondere ökonomischen Vorteil gegenüber anderen Prozessen.

Der Projektansatz zielt auf eine hohe Reinheit aller generierten Fraktionen ab, indem der materialselektive Aufschluss des Produkts eine effektivere Separation der Fraktionen ermöglicht. Die Zielfraktion ist das aufkonzentrierte Edelmetall, welches dann erneut der Edelmetallverwertung zugeführt werden kann.

Nach Abschluss des Projekts werden die gewonnenen Erkenntnisse sukzessive bei den beteiligten Industriepartnern in die Verarbeitungsprozesse für PEM-Brennstoffzellen einfließen. Die Ergebnisse aus der Verfahrensentwicklung dienen außerdem als Basis für weitere Forschungsarbeiten, um eine Rücknahme- und Recyclinglösung einschließlich der Realisierung spezifischer neuer Anlagenmodule etablieren zu können.

Parallel sind in diesem Zeitraum innovative Circular-Economy Geschäftsmodelle gemeinsam mit allen Projektpartnern entsprechend der gewonnenen Erkenntnisse und der Marktsituation weiter zu konkretisieren.

Projektpartner:
Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS, Alzenau & Hanau
Proton Motor Fuel Cell GmbH, Puchheim
MAIREC Edelmetallgesellschaft mbH, Alzenau
Electrocycling GmbH, Goslar
KLEIN Anlagenbau AG, Freudenberg

Dauer:
01.03.2020 – 28.02.2023

Ansprechpartner:
Florian Sauer
Head of Research & Development
Mairec Edelmetallgesellschaft mbH
Telefon +49 6023 9169-21
f.sauer@mairec.com

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