Zirkuläre Wirtschaft: Innovationen für Ressourcenschonung ... · Solutions Hydrogen for regional...

Prof. Dr. Kurt Wagemann

Zirkuläre Wirtschaft:

Innovationen für Ressourcenschonung

und Ressourceneffizienz

2. Innovationskongress, Berlin, 5. Dezember 2018

Power-to-X: Was sind die „Bottlenecks“?

Verfügbarkeit erneuerbarer Energien

(inkl. gesellschaftliche Akzeptanz von Windparks)

Effiziente (direkte) chemische Konversionsprozesse

Elektrolyseure in großem Maßstab

Hoher Bedarf an Edel- und Seltenerdemetallen

(Windkraftanlagen, PV, Elektrolyseure)

2. Innovationskongress, Berlin, 05.12.2018

* Quelle: James Clark, Department of Green Chemistry, Centre of Excellence - University of York/UK

2

Herausforderung Energiewende: Elektromobilität Beispiel: Lithium-Ionen-Batterien

Herausforderung bei wachsendem Markt:

• Zukünftige Bereitstellung ausreichender Mengen

an Kobalt, Nickel, Lithium

hochwertiges Recycling als wichtige Rohstoffquelle

Herausforderungen für effektives Batterie-Recycling:

• Komplexer Materialmix (Metalle, organische Stoffe, Halogene),

• Starke Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung der Kathoden,

große Vielfalt des Batteriepack- und Moduldesigns,

• Schnell wechselnde Produktgenerationen,

• Austausch von Informationen / Daten und Zusammenarbeit entlang der Waste &

Recycling-Kette und den beteiligten Partnern ist unerlässlich

• Sicherheit: Mögliche Restladung, enthaltene Materialen (bes. bei Beschädigung),

• Wiederverwendungs- und 2nd-Life-Lösungen / Konzepte

• Bereitstellung ausreichender Mengen an Batterien für ein wirtschaftliches Recycling

© Umicore

2. Innovationskongress, Berlin, 05.12.2018 3

Herausforderung Energiewende – Windkraft Beispiel Seltenerdmetalle

• Einsatz in Zukunftstechnologien, wie z.B.:

– Permanentmagnete,

z.B. für Stromgeneratoren in Windkraftanlagen,

Elektromotoren

für 1 MW ca. 200 kg Neodym und

13-29 kg Dysprosium

– Batterien, z.B. für Elektro- und Hybridautos

• Weltweite Verbreitung, jedoch Vorliegen in geringen,

kaum wirtschaftlich abbaubaren Erz-Konzentrationen

• Starke Konzentration der Vorkommen und des

Abbaus in China (2017: ca. 80 %)

• Verknappung & Preisanstieg 2011

• In der Folge: Förderung von Substitution, Recyclingbemühungen

© Florian Schmidt, Fotolia


Herausforderung Energiewende – Windkraft Beispiel Seltenerdmetalle: Forschung

• Bundesministerium für Bildung und Forschung, z. B.: Fördermaßnahmen zu „Innovativen Technologien für Ressourceneffizienz“:

„r3 - Strategische Metalle und Mineralien“ und „r4 - Bereitstellung

wirtschaftsstrategischer Rohstoffe“

• Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, z. B.: – Deutscher Rohstoffeffizienz-Preis 2018: Projekt „REProMag –

Ressourceneffiziente Herstellung von Hartmagneten auf Basis Seltener Erden“

• Umweltbundesamt, z.B.:

Projekt „ReStra - Recyclingpotenzial strategischer Metalle“ (u.a. auch

Seltenerdmetalle)

• Fraunhofer-Leitprojekt »Kritikalität Seltener Erden« (2013 – 2017): Projektziel: Halbierung des spezifischen, primären Bedarfs an schweren

Seltenerdmetallen, Bsp. Neodym- und Dysprosiumbedarf für Permanentmagnete



*In Rohform, oder als Pulver

[1] http://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DERA/DE/Downloads/studie_Platin_2015.pdf?__blob=publicationFile&v=2

Herausforderung Energiewende: Power-to-X Beispiel Elektrolyseure (für Wasserstoff aus Wasser): Edelmetalle

Quelle: Siemens AG

6

- 10 μm - 10 μm

Bedarf Platin Gruppe Metalle (PGM)

• Globaler Platin-Bedarf : 248 t (2017)

Recycling-Quote: ca. 40 %

• Globaler Iridium-Bedarf: 6,55 t (2017)

Recycling-Quote: n. a.

Geschätzter Iridium-Bedarf für PEM-Elektrolyse

• State of the art: 0.4 kgIr/MWStrom

• Angestrebte Verringerung in

Kopernikus P2X: 0,01 kgIr/MWStrom

Iridium-Bedarf bei Deckung der heutigen

H2-Produktion in Deutschland

• State of the art 3,06 tIr 47% des Bedarfs in 2018

• P2X 0,08 tIr ca. 1% des Bedarfs in 2018

Zirkuläre Wirtschaft

• Ganzheitlicher Ansatz im Sinne des

Lebenszykluses von Produkten und Materialien

• Zirkuläre Wirtschaft: nur möglich durch

übergreifendere Zusammenarbeit der

Akteure und Austausch

• Digitalisierung: unterstützt übergreifendes

Handeln und fordert es ein,

z.B. Möglichkeiten für neue Geschäftsmodelle


Quelle: Europäische Kommission,

COM(2014) 398 final/2

• Miniaturisierung größere Verdünnung höhere Dissipation

(dünnere Schichten)

Alternative:

Geschäftsmodell Chemikalien- oder Geräte-Leasing

Prof. Dr. Kurt Wagemann

Zirkuläre Wirtschaft:

Innovationen für Ressourcenschonung

und Ressourceneffizienz

2. Innovationskongress, Berlin, 5. Dezember 2018

Zusatzinformationen zu Iridium-Förderung

• Die Metalle Iridium, Osmium und Ruthenium werden

im weltweiten Handel aufgrund der geringen Mengen

in einer Warengruppe zusammengefasst. Eine

Einzelbetrachtung ist für diese Metalle nicht möglich.

• HS-Code für Iridium, Osmium, Ruthenium: 7110. 41


Higher activity of the new nano-IrO2 (≈ 160 m2/g) P2X-reference-catalyst over the IrO2-based benchmark catalyst

Development of highly structured catalysts

LMU

IrO2 activity is sufficient, but requires highly structured catalyst with low packing density (gIridium/cm3

electrode)

New nano-IrO2 reference catalyst with large surface area

FC-A1 Gen 1 catalyst: Sb:SnO2 microstructures coated with IrO2

P2X: FC-A1 Water-Electrolysis

P2X: Exploration, Validation and Implementation

of "Power-to-X" Concepts

11 Ort, Datum


• State of the art: 0.4 tIr/GWStrom

• Angestrebte Verringerung in P2X: 0,01 gIr/kWStrom


• Globaler Iridium-Bedarf 2018: 6,55 t

Iridium-Bedarf bei Deckung der heutigen


• State of the art 3,06 tIr 47% des Bedarfs in 2018

• P2X 0,08 tIr ca. 1% des Bedarfs in 2018

Herausforderung Energiewende: Power-to-X Beispiel Elektrolyseure (für Wasserstoff aus Wasser): Edelmetalle

Quelle: Siemens AG

Ideale Elektrode

• Ir-Beladung: 0,3 – 3,5 mg/cm²

• Elektrodendicke: 1,5 – 10,5 µm

zu

dünn

Inhomogenität

Elektrochemische Verluste

Materialaufwand

Massenverluste

zu

dick

Unrestricted © Siemens AG 2018

June 2018 Siemens Hydrogen Solutions

• Electrodes are attached on both sides of

the proton exchange membrane

• Proton exchange membrane is the

electrolyte

• Proton exchange membrane acts as

separator to prevent mixing

of the gas products

Proton exchange membrane

(PEM) electrolysis –

the efficient way for green

hydrogen How does PEM electrolysis work

Advantages of PEM electrolysis

1973 J. H. Russell released

his works to PEM

electrolysis and the

high potential

• High power density

• Extended dynamic operation range and direct coupling to renewables (rapid

response)

• High efficiency

• High gas purities

• Low maintenance needs


June 2018 Siemens Hydrogen Solutions

17.5 MW

340 kg

75 %

24 modules

Silyzer 300 –

the next paradigm in PEM electrolysis

System efficiency

(higher heating value)

per full Module Array

(24 modules)

Silyzer 300 – module array (24 modules)

hydrogen per hour

per full Module Array

(24 modules)

to build a

full Module Array


June 2018 Page 15 Siemens Hydrogen Solutions

Energiepark Mainz

World’s largest PEM electrolysis

facility in 2015 Facts & figures

• Customer: Energiepark

Mainz (JV of Linde and

Mainzer Stadtwerke)

• Country: Germany

• Installed: 2015

• Product: Silyzer 200

3.75 MW rated power / 6.0 MW

peak power (limited in

time) based on three

Silyzer 200

Green

hydrogen is

fed into the

local natural

gas grid.

Use cases

Challenge

• Installation of three SILYZER 200 with a maximum power consumption of 6 MW

• Highly dynamic power consumption

• State-of-the-art process control technology based on SIMATIC PCS 7

• Hydrogen processing, condensing, and storage (provided by Linde)

• Installation of world’s first PEM electrolysis plant in the multiple megawatt range

• Provision of balancing energy

• High degree of automation

Solutions

Hydrogen for

regional filling

stations.

Delivery to

surrounding

industrial

companies.



• State of the art: 0.5 gIr/kW

• Angestrebte Verringerung in Kopernikus P2X:

0.04-0.02 gIr/kWPEM-E

Niedrige Ir Beladung:

• inhomogene Elektrode

• Niedrige Katalystausbeute durch Rel

Hohe Ir Beladung:

• Rtransport (H2O, O2) bei hohem i

• Niedriger bei hohem O2-Druck



Beispiel Elektrolyseure (für Wasserstoff aus Wasser): Edelmetalle

Bereitstellung Platin Gruppe Metalle (PGM)

• Nettoexporte Platin* (2013) [1]: 361t (60-70% Recyclingrate [1])

• Nettoexporte Ir, Os, Ru* (2013) [1]: 61t (20-30% Recyclingrate)

Zum Vergleich: Ir-Bedarf bei Deckung der

heutigen H2-Produktion in Deutschland

• State of the art 8 tIr

• P2X 0,5 tIr

Herausforderung Energiewende: Power-to-X

Power-to-X: What are the Bottlenecks?

Availability of renewable electricity

(incl. social acceptance for wind power parcs)

Efficient (direct) chemical conversion processes

Large scale electrolysers

High demand for noble and rare earth metals

(wind turbines, PV modules, electrolysers)


* Quelle: James Clark, Department of Green Chemistry, Centre of Excellence - University of York/UK

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18 Ort, Datum


• State of the art: 0.4 tIr/GWStrom

• Angestrebte Verringerung im Kopernikus-Projekt P2X: 0,01 gIr/kWStrom

Niedrige Ir Beladung:

• inhomogene Elektrode

• low catalyst utilization due to Rel




• Globaler Iridium-Bedarf 2018: 6,55 t

Zum Vergleich: Ir-Bedarf bei Deckung der heutigen


• State of the art 3,06 tIr

dies entspricht 47% des Bedarfs in 2018

• P2X 0,08 tIr

dies entspricht ca. 1% des Bedarfs in 2018

Herausforderung Energiewende: Power-to-X Beispiel Elektrolyseure (für Wasserstoff aus Wasser):

Edelmetalle

Quelle: Siemens AG

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