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
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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
2. Innovationskongress, Berlin, 05.12.2018 4
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
2. Innovationskongress, Berlin, 05.12.2018 5
2. Innovationskongress, Berlin, 05.12.2018
*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
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- 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
2. Innovationskongress, Berlin, 05.12.2018 7
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
2. Innovationskongress, Berlin, 05.12.2018 9
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
Geschätzter Iridium-Bedarf für PEM-Elektrolyse
• State of the art: 0.4 tIr/GWStrom
• Angestrebte Verringerung in P2X: 0,01 gIr/kWStrom
Bedarf Platin Gruppe Metalle (PGM)
• Globaler Iridium-Bedarf 2018: 6,55 t
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
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 Page 12 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
Unrestricted © Siemens AG 2018
June 2018 Page 13 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
Unrestricted © Siemens AG 2018
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.
2. Innovationskongress, Berlin, 05.12.2018
Geschätzter Iridium-Bedarf für PEM-Elektrolyse
• 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
*In Rohform, oder als Pulver
[1] http://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DERA/DE/Downloads/studie_Platin_2015.pdf?__blob=publicationFile&v=2
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)
2. Innovationskongress, Berlin, 05.12.2018
* Quelle: James Clark, Department of Green Chemistry, Centre of Excellence - University of York/UK
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18 Ort, Datum
Geschätzter Iridium-Bedarf für PEM-Elektrolyse
• 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
*In Rohform, oder als Pulver
[1] http://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DERA/DE/Downloads/studie_Platin_2015.pdf?__blob=publicationFile&v=2
Bedarf Platin Gruppe Metalle (PGM)
• Globaler Iridium-Bedarf 2018: 6,55 t
Zum Vergleich: Ir-Bedarf bei Deckung der heutigen
H2-Produktion in Deutschland
• 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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