ProBaSol - Die Aluminiumbatterie - Herausforderungen für die industrielle Fertigung

Projektbeschreibung und Forschungsinhalte

Das Vorhaben verfolgt das Ziel der Implementierung einer neuartigen Technologie zur Fertigung elektrochemischer Energiespeicher als Alternative zu Li-basierten Batteriesystemen (LIB). Dabei soll es von den Ergebnissen eigener abgeschlossener bzw. aktuell laufender Verbundvorhaben profitieren und den systematischen Aufbau einschlägiger Kompetenzen im Sinne eines Transfers vervollständigen. Schwerpunktmäßig wird auf eine Festkörperbatterie (FKB) für mobile hochvalente Ionen (MHI) sowie die dazugehörige Fertigungstechnologie für Festkörperelektrolyte (FKE) und Elektroden, insbesondere mittels Kurzzeittempern mit Blitzlampen (Flash Lamp Annealing ' FLA) sowie Anodischem Oxidieren (AO) in der Technologie Rolle-zu-Rolle gesetzt. Wesentliche Vorteile sind die erzielbaren Energiedichten, die hohe Sicherheit, die umfassende Verfügbarkeit der Materialien sowie die Recyclierbarkeit der Systeme. Die volumetrische Energiedichte kann potentiell doppelt bis viermal so hohe Werte im Vergleich zu kommerziellen LIB erreichen. Zudem ist ein Kostensenkungspotential von bis zu 20 % bezogen auf den Preis pro kWh gegeben. Das Erreichen der Ziele soll durch begleitendes Technologiemanagement und Systemanalyse unterstützt werden.

Unter der fachlichen Leitung von Prof. Dr. rer. pol. Michael Höck ist M.Sc. Anna Werner mit der Bearbeitung der Arbeitspakete betraut.

Bioreaktorlaugung - Biohydrometallurgisches Zentrum (BHMZ)

Projektbeschreibung und Forschungsinhalte

In dem seit Mai 2013 laufenden Freiberger Biohydrometallurgischen Zentrum ist es gelungen, die Hydrometallurgie und speziell die Biohydrometallurgie zur Gewinnung wertvoller Elemente an der TU Bergakademie zu einem Forschungsschwerpunkt mehrerer Professuren auszubauen.

Es gibt verschiedene Varianten von hydrometallurgischen oder biohydro-metallurgischen Prozess­ketten. Gemeinsam ist allen Varianten, dass das Metall zu irgendeinem Zeitpunkt in wässriger, i.d.R. saurer Lösung vorliegt, aus der es dann als reines Metall i.d.R. durch Solventextraktion und „Electrowinning“ gewonnen wird

Im typischen Fall (z.B. Kupfergewinnung in Chile) wird ausgehend von einer Lagerstätte zunächst Erz gefördert und gebrochen und dann wird es einer biologischen oder chemischen Haldenlaugung unterzogen. Die Anwendung eines solchen langsamen und viel Fläche beanspruchenden Laugungsverfahrens ist in Deutschland kaum vorstellbar, und deshalb wurde Haldenlaugung im Rahmen des BHMZ auch nicht untersucht

Perspektivisch am elegantesten und umweltfreundlichsten ist die in situ-Laugung direkt im Berg, ohne Förderung des Erzes an die Oberfläche. Deshalb lag und liegt hier ein Schwerpunkt der Untersuchungen im BHMZ, und mit der Einrichtung und Inbetriebnahme des BHMZ-Versuchstandes in der Reichen Zeche wurde eine einzigartige Anlage zur Untersuchung dieser Möglichkeit geschaffen und es wurden erhebliche Fortschritte bezüglich deren Realisierung  erzielt. Zwangsläufig ist jedoch die Laugung direkt im Berg relativ komplex und es besteht eine Reihe offener Fragen, die in einem BHMZ-Nachfolgeprojekt (oder „BHMZ 2.0“) weiter untersucht werden sollen.

Am schnellsten und unter am besten kontrollierbaren Bedingungen verläuft die Bioreaktorlaugung. Sie erfordert aber relativ hohe Investitionen und wird deshalb technisch vor allem bei Erzen mit hohem Wert (Goldgewinnung) oder bei fein gemahlenen Konzentraten eingesetzt. Wie unten weiter zu untermauern sein wird, ist Bioreaktorlaugung für verschiedene Standorte im Erzgebirge eine hochgradig interessante Option, und deshalb liegt hier ein weiter Schwerpunkt des BHMZ. Reaktorlaugungsprozesse müssen nicht zwangsläufig an Erz oder frischem Konzentrat durchgeführt werden, sondern können auch auf Flotationsrückstände (Tailings) aus der Erzaufbereitung oder auf Recyclingmaterial angewendet werden.

Um sicherzustellen, dass die Versuche zur Bioreaktorlaugung auch in ökonomischer Hinsicht zielführend sind, soll das Transferprojekt aus betriebswirtschaftlicher Sicht begleitet werden. Hierzu sollen Marktstudien für ausgewählte Zielmetalle, z.B. Indium und Germanium, erstellt sowie potentielle Stoffströme, z.B. beim Türkschacht, Bergwerk Niederschlag, Davidschacht-Halde, erfasst werden. Auf der Grundlage der Markt- und Stoffstromanalysen lassen sich die notwendigen In­vestitions- und Betriebskosten sowie die Vorteilhaftigkeit der Bioreaktorlaugung abschätzen. Neben der Kostenbetrachtung wird ein wesentlicher Bestandteil der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung die Analyse des Einflusses der Prozessparameter (z.B. Dauer der Laugung, Temperatur, etc.) auf den Wirkungsgrad des Verfahrens sein, um eine effiziente und zugleich effektive Reaktorlaugung zu ermöglichen.

Unter der fachlichen Leitung von Prof. Dr. rer. pol. Michael Höck ist M.Sc. Nico Irrgang mit der Bearbeitung der beschriebenen Arbeitspakete betraut.

Publikationen

zusammen mit N. Irrgang, B. Monneron-Enaud, M. Schlömann: Economic feasibility of the co-production of indium from zinc sulphide using bioleaching extraction in Germany, in: Hydrometallurgy, in print.

Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung (ZeHS)

Projektbeschreibung und Forschungsinhalte

Der Fokus des Zentrums für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung (ZeHS) liegt auf der Entwicklung innovativer, ressourcen- und energieeffizienter Technologien im Bereich der Grund­stoffindustrie. Dabei werden Prozess- und Materialanforderungen in der chemischen Industrie, der Metallurgie sowie der Keramik-, Glas- und Baustoffindustrie zusammenhängend betrachtet und die Ergebnisse auf andere Branchen übertragen. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Nutzung erneuerbarer Ressourcen und Schaffung geschlossener Stoff- und Energiekreisläufe sowie der Ausrichtung von Industrieprozessen auf zeitlich fluktuierende Angebote an Überschussenergie – insbesondere aus Solar- und Windkraft – unter Einbeziehung der Energiespeicherung. Eine Besonderheit des ZeHS ist die Bearbeitung der Themen entlang der gesamten Innovationskette, ausgehend von der Theorie über Laborversuche, Technikums- und Pilotanlagen bis hin zur Großversuchstechnik. Die Struktur des ZeHS ist wie folgt aufgebaut.

Neben den Kernkompetenzzentren für Hochtemperaturprozesse sowie Hochtemperaturmaterialien existieren verschiedene Koordinationsstellen, u.a. für Technologiemanagement und Systemanalyse.

Das Technologiemanagement des ZeHS umfasst die Planung, Durchführung und Kontrolle der Ent­wicklung ressourcen- und energieeffizienter Hochtemperaturprozesse zur Schaffung von Wett­be­werbsvorteilen der Grundstoffindustrie. Im Vordergrund der Betrachtung stehen die technischen und ökonomischen Synergien entlang der Innovationskette von den Natur­wissenschaften Physik und Chemie über die Werkstoffwissenschaft und -technologie bzw. Verfahrens­technik bis hin zum Anlagenbau. Für Hochtemperaturprozesse und Hochtemperaturmaterialien, insbesondere die refraktären Verbundwerkstoffe, deren Anwendung oder Markteintritt noch bevorsteht, gilt es eine Technologiefolgenabschätzung vorzunehmen. Im Vordergrund stehen die Chancen und Risiken der Technologie im Hinblick auf die Umwelt und die Nachhaltigkeit. Des Weiteren sind im Rahmen einer Systemanalyse die Wechselwirkungen der Prozess- und Materialanforderungen der ZeHS-Projekte zu untersuchen. Bei marktnahen Hoch­temperaturtechnologien und Hochtemperaturmaterialien liegt der Schwerpunkt dagegen im Innovationsmanagement.

Leiter der Koordinationsstelle: Prof. Dr. rer. pol. Michael Höck

Publikationen

M. Höck: Technologiemanagement und Systemanalyse, in: Herausforderungen der Grundstoff­industrie,  D. Meyer et al. (Hrsg.), (in Vorbereitung).

Links

http://www.zehs-freiberg.de/

INTRA r3+

Projektbeschreibung und Forschungsinhalte

Im Mittelpunkt der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Maßnahme „r3 - Innovative Technologien für Ressourceneffizienz - Strategische Metalle und Mineralien“ steht die Erarbeitung von Vorschlägen zur Erhöhung der Versorgungssicherheit Deutschlands mit strategisch bedeutsamen Ressourcen, insbesondere seltenen Metallen und Industriemineralien.

Die Fördermaßnahme ist Bestandteil des BMBF-Rahmenprogramms FONA - Forschung für nachhaltige Entwicklungen und umfasst mehr als 20 Verbundprojekte in Deutschland in den Feldern "Recycling", "Materialeinsparung", "Substitution", "Urban Mining" und "Nachhaltigkeitsbewertung“.  Mit der Koordination, Bündelung, Analyse und Bewertung des generierten Wissens ist das übergeordnete Integrations- und Transferprojekt INTRA r3+ betraut. Der Lehrstuhl für Industrie­betriebslehre, Produktionswirtschaft, Logistik übernimmt im Rahmen von INTRA r3+ folgende sieben Forschungsverbünde: (Hinweis: Die in Klammern angegebenen Forschungseinrichtungen und Universitäten verweisen auf die jeweilige Projektleitung der einzelnen Forschungsverbünde.)

ATR:

Aufschluss, Trennung und Rückgewinnung von ressourcen-relevanten Metallen aus Rückständen thermischer Prozesse(Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, BAM, Berlin)

CaF2:

Rückgewinnung von Calciumfluorid als Sekundärrohstoff für Fluorpolymere (Universität Bayreuth)

EcoTan:

CO2-Gerbung – Ressourceneffiziente Nutzung von Chromgerbstoffen durch weitgehende Substitution im Gerbprozess(Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen)

ESSENZ:

Integrierte Methode zur ganzheitlichen Berechnung / Messung von Ressourceneffizienz (Technische Universität Berlin)

NickelRück:

Ressourcenschonende neuartige Nickelrückgewinnung aus Prozesswässern der Phosphatierung (VDEh-Betriebsforschungsinstitut BFI, Düsseldorf)

SubMag:

Entwicklung eines alternativen Entschwefelungsverfahrens in der Gießereiindustrie zur nachhaltigen Substitution von Magnesium (Universität Duisburg-Essen)

UPgrade:

Integrierte Ansätze zur Rückgewinnung von Spurenmetallen und zur Verbesserung der Wertschöpfung aus Elektro- und Elektronikaltgeräten (Technische Universität Berlin)

Neben der Koordinationsfunktion ist der Lehrstuhl für Industriebetriebslehre, Produktionswirtschaft, Logistik inhaltlich für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben in den Arbeitspaketen Vernetzung und Potenzialanalyse verantwortlich. Hierzu gehören:

Organisation thematischer Cluster:

Der Lehrstuhl ist verantwortlich für den Aufbau und die Pflege einer aktiven, vertrauensvollen Zusammenarbeit mit den zu betreuenden Forschungsverbünden. Für eine stärkere Vernetzung der Verbünde miteinander unterstützt der Lehrstuhl die Bildung inhaltlicher Cluster sowie deren Umsetzung mittels geeigneter Instrumente und Methoden.

Ökonomisch-ökologisch-soziale Bewertung (Nachhaltigkeit):

Im Rahmen dieses Arbeitspaketes ist der Lehrstuhl zuständig für die ganzheitliche Bewertung der Ergebnisse der Projektverbünde. Unter Verwendung und Weiterentwicklung etablierter Bewertungsmethoden werden aggregierte, übergreifende Wirkungsabschätzungen hinsichtlich der ökonomischen, ökologischen und sozialen Nachhaltigkeit der entwickelten Technologien für eine effizientere Ressourcennutzung betrachtet. Dabei kommen Aspekte wie z.B. Wertschöpfungsbetrachtung, Lebenszyklusanalyse, Scaling-up-Potenzial und Stakeholder-Analysen zum Tragen.

Technologiebewertung:

Zusätzlich zur ökonomisch-ökologisch-sozialen Bewertung analysiert und beurteilt der Lehrstuhl die entwickelten Verfahren der Ressourceneffizienz nach technologischen Aspekten. Dabei stehen die Abschätzung der Marktpotenziale sowie mögliche Entwicklungspfade im Mittelpunkt der Analysen. Zu den Methoden und Bereichen, die dabei vom Lehrstuhl angewendet werden, gehören Technologieroadmaps, -bäume und Konzepte der Technikfolgen­abschätzung.

Screening des internationalen Umfelds:

Innerhalb diesen Arbeitspaketes trägt der Lehrstuhl Verantwortung für die Identifikation relevanter Ressourceneffizienzinitiativen auf europäischer und internationaler Ebene. Zudem werden staatliche Programme insbesondere (mineral-) rohstoffarmer und -reicher Länder im Hinblick auf ihre Unterschiede und Wirksamkeit sowie wissenschaftliche und privatwirtschaftliche Forschungs­aktivitäten in z.B. ausgewählten Industrieländern und ausgewählten Emerging Economies ermittelt und ausgewertet.

Unter der fachlichen Leitung von Prof. Dr. rer. pol. Michael Höck sind M. Sc. Katja Schneider, Dipl.-Geoökol. Kirstin Kleeberg sowie Dipl.-Wi.-Ing. Lars Rentsch mit der Leitung der Verbundbetreuung der sieben Forschungsverbünde und der Bearbeitung der oben beschriebenen Arbeitspakete betraut.

Publikationen

A. Dürkoop, M. Höck, et al.: INTRA r³+ Integration und Transfer der r³ Fördermaßnahme, in: Innovative Technologien für Ressourceneffizienz,  A. Dürkoop et al. (Hrsg.), Stuttgart 2016., S. 419 – 451.

A. Dürkoop, M. Höck et al.: INTRA r³+ Integration und Transfer der r³ Fördermaßnahme – Ergebnisse der Begleitforschung, in: Recycling und Rohstoffe, K. Thome-Kozmiensky / D. Goldmann (Hrsg.), Bd. 9, Neuruppin 2016., S. 253 – 272.

Links

• http://www.fona.de/index.php
• http://www.fona.de/de/r3-innovative-technologien-fuer-ressourceneffizienz-strategische-metalle-und-mineralien-9815.html