Technologien der Wärme- und Stoffübertragung

HV-Batterie Recycling für nachhaltige und funktionserhaltende Materialkreisläufe: Recycling von Batterieelektrolyt

Im Kontext des Klimawandels und zur Sicherung einer unabhängigen Rohstoffbasis gewinnt das Recycling von Wertstoffen zur Schließung von Stoffkreisläufen und zur Erhöhung der Ressourceneffizienz zunehmend an Bedeutung. Oft werden Recyclingquoten durch politische Maßnahmen festgelegt, und dies betrifft auch Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Angesichts des erwarteten starken Anstiegs in Produktion und Nutzung von LIB aufgrund des fortschreitenden Trends zur Elektromobilität ist es von großer Bedeutung, Lösungen für das Recycling von Hochvoltbatterien zu entwickeln. Am Lebensende einer Hochvoltbatterie, besteht die Notwendigkeit, diese auf umweltfreundliche und nachhaltige Weise zu recyceln und wertvolle Materialien zurückzugewinnen, um den steigenden Bedarf an Batterien zu decken und gleichzeitig Ressourcen zu schonen.

Das Projekt "HVBatCycle" zielt darauf ab, innovative und nachhaltige Prozesse entlang der Hochvoltbatterie-Wertschöpfungskette zu entwickeln, um die geschlossene Kreislaufführung von Batteriematerialien zu ermöglichen. Dies umfasst die sortenreine Demontage, ökologisch effizientes Recycling von Batterien und die Herstellung neuer Batteriematerialien aus Sekundärrohstoffen.

Hierbei bearbeitet das Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik die Aufbereitung von rückgewonnenen, flüchtigen Elektrolytkomponenten. Die Komponenten des Lösungsmittelgemisches sollen dabei spezifikationsgerecht zurückgewonnen und für die Herstellung von Zellen aus Sekundärrohstoffen bereitgestellt werden.

Wertstoffrückgewinnung mittels Dünnschichtverdampfung

Förderung/Förderprogramm: AiF/ IGF

Förderkennzeichen: 04352/21

Laufzeit: 01.02.2022-31.07.2024

Die Rückgewinnung von Wertstoffen in Produktions- und Rückstandsströmen, wie z.B.  Lösemittelrückgewinnung, Altölaufbereitung oder die Aufarbeitung von Rückständen bei der Biodieselproduktion, ist neben den ökonomischen insbesondere aus Gründen der Ressourceneffizienz und des Umweltschutzes von erheblicher Bedeutung. Obwohl das Recycling von Chemikalien sowohl ökonomisch wie ökologisch vorteilhaft sein kann, werden wertstoffhaltige Abfallströme jedoch weiterhin vielfach verworfen oder der energetischen Verwertung zugeführt. Dies ist häufig darauf zurückzuführen, dass den Betreibern der Produktionsanlagen die erforderliche apparative Ausrüstung und/oder das Knowhow zur wirtschaftlichen Aufarbeitung fehlt. Problematisch sind zudem oftmals die Eigenschaften der Rückstände: Sie enthalten – neben den zu gewinnenden Wertkomponenten – in der Regel eine Vielzahl von undefinierten Komponenten, welche oft viskos, feststoffhaltig, klebrig, thermisch sensibel oder hochsiedend sind. Viele dieser Wertstoffe lassen sich destillativ zurückgewinnen. Um die thermische Belastung zu senken, muss die Destillation allerdings oft bei reduzierten Drücken von < 100 mbar(a) durchgeführt werden. Apparativ kommen hier häufig nur Dünnschichtverdampfer (DSV) in Frage. Obwohl DSV bei genau diesen problematischen Trennaufgaben hocheffiziente Trennleistungen liefern, sind sie selten in den Herstellungsprozessen zu finden, da ihre Auslegung und ihr Betrieb aufgrund von operativen, apparativen und stofflichen Abhängigkeiten herausfordernd sind. Die resultierenden Wechselwirkungen sind sehr spezifisch und erfordern eine breite und konsolidierte Datenbasis zur bedarfsgerechten Auslegung, die nach aktuellen Recherchen fehlt. Dies führt zu technischen Risiken, einer sicherheitsbedingten Überdimensionierung und damit oft zu fehlender Wirtschaftlichkeit bei den Betreibern von chemischen Anlagen und Lohndestillateuren.

Ziel dieses Vorhabens ist daher die Bereitstellung einer öffentlich verfügbaren Datenbasis zur Betriebs- und Leistungsbewertung von DSV. Hiervon profitieren unmittelbar KMUs, die Hersteller und potenzielle Betreiber von DSV sind. Diese werden bei der Entwicklung und dem Betrieb dieser innovativen Apparate unterstützt und können die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit ihrer Prozesse weiter optimieren. Dieses Ziel wird im Projekt dadurch realisiert, dass typische Problemstellungen von Betreibern chemischer Anlagen und Lohndestillateuren aufgegriffen werden. Optimale Betriebsfenster sowie die Lastgrenzen von DSV werden durch systematische fluiddynamische und wärmetechnische Untersuchungen identifiziert, wodurch sich die Investitions- und Betriebskosten reduzieren lassen. Durch den im Projekt entwickelten Handlungsleitfaden werden sowohl Lohndestillateure als auch Anlagenbetreiber bei der Anwendung von DSV für neue Trennaufgaben unterstützt. Der Nutzen für KMU liegt im unmittelbaren Zugang zu apparativem und operativem Knowhow dieser Apparate.

Im Einzelnen werden folgende Teilziele angestrebt:

• Durch systematische Untersuchungen relevanter Prozessgrößen und deren wechselseitigen Beeinflussungen bzgl. des Verdampfungsprozesses werden wirtschaftlich optimale Betriebsfenster für DSV-Prozesse aufgezeigt.
• Bildoptische Aufnahmen aus dem Inneren eines DSV im nichtsiedenden und Siedezustand kombiniert mit wärmetechnischen Messungen ermöglichen die Identifikation der fluiddynamischen Lastgrenzen von DSV und die Formulierung von Grenzwerten.
• Die kombinierte Betrachtung von Verweilzeit, Heizflächenbenetzung und Wärmedurchgang trägt zu einer verbesserten Auslegung von DSV bei, indem u.a. die thermische Produktschädigung im DSV verhindert oder vermindert werden kann, wodurch Reinigungszeiten verkürzt und die Abstände der Reinigungsintervalle maximiert werden können.
• Die Anwendung charakteristischer dimensionsloser Kennzahlen unter Einbeziehung eines segmentweisen Ansatzes erlaubt eine Übertragung auf andere stoffliche und apparative Gegebenheiten sowie eine Skalierung zwischen Technikums- und Produktionsmaßstab.

Ansprechpartner: David Appelhaus, Dr.-Ing. Katharina Jasch

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektträger: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Förderkennzeichen: 02WQ1535B
Laufzeit: 01.07.2020 – 30.06.2023

Bei der Abwasserbehandlung in Kläranlagen fällt Klärschlamm als rohstoff- und energiereiches Restprodukt an. Die bisher erfolgte Verwertung von Klärschlamm in Kohlekraftwerken oder als Dünger in der Landwirtschaft ist mit Blick auf möglichst geringe Immissionen und steigende Umweltschutzauflagen zukünftig immer weniger möglich. Es sind dementsprechend neue Strategien gefragt, um durch die geschickte Kombination von biologischen, chemischen und thermischen Verfahren eine möglichst hohe Ressourcen- und Energieeffizienz zu erreichen.

Im Rahmen des Verbundprojektes „CYKATT – Entwurf und Bewertung cyberphysischer Kläranlagenkonzepte mit thermisch hochvernetzten Teilprozessen“ sollen Methoden und Modelle für die Entwicklung und den Betrieb von thermisch hochvernetzten Kläranlagenkonzepten entwickelt werden. Hierdurch kann neben der Bewertung von diesen neuartigen thermisch hochvernetzten Schlammbehandlungsverfahren auch ihre Anwendung in existierenden Kläranlagen untersucht werden. Da moderne MSR-Systeme nicht nur auf eine Vielzahl von Messdaten und Aktuatoren zugreifen, sondern zudem auch mit dem Internet verbunden werden können, ist auch die Realisierung eines cyberphysikalischen Systems denkbar. Bei einem solchen ist die virtuelle Kläranlage Teil eines MSR-Systems, wodurch sich fortschrittliche Betriebsstrategien zur flexiblen Anlagensteuerung realisieren lassen. Im Rahmen des Projektes sollen daher Konzepte für cyberphysische Kläranlagen mit thermischer Schlammbehandlung entwickelt werden, welche das Ziel einer nachhaltigen und energetisch optimierten Abwasserbehandlung unterstützen.

Ansprechpartner: David Appelhaus

Förderung: DFG
Kennzeichen: SCHO 842/12-3
Laufzeit: 01.05.2017 – 30.04.2020

Da bei vielen Reaktionen nicht nur das gewünschte Produkt entsteht, ist die Stofftrennung in fast allen Prozessen der chemischen und petrochemischen, aber auch der biotechnologischen und pharmazeutischen Industrie von höchster Wichtigkeit. Die Rektifikation stellt hierbei das industriell wichtigste Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen dar. Vorausgegangene Untersuchungen zeigten eine deutliche Abhängigkeit der erreichbaren Trennleistung von den Stoffparametern, insbesondere der Viskosität auf. Für viskose Flüssigkeiten liegen jedoch kaum öffentlich verfügbare Daten oder umfassende Modelle vor. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts gilt es daher, für Modellbetrachtungen geeignete Stoffsysteme zu finden und deren Stoff- und Trennverhalten durch entsprechende abzubilden. So soll nicht nur das abweichende Trennverhalten beschrieben, sondern vor allem zukünftige Rektifikationskolonnen besser ausgelegt werden.

Ansprechpartner: Sven Gutperl

Förderung/Förderprogramm: DFG
Förderkennzeichen: JA 3030/3-1
Projektnummer: 539483785
Laufzeit: 01.10.2024 - 30.09.2027

Molkenproteine können unter thermischer Belastung unerwünschte Ablagerungen bilden. Dieser Prozess wird als Fouling bezeichnet und besteht in der Regel bei fortdauerndem Betrieb des technischen Apparats aus dem Zusammenspiel von Ablagerung und Abtrag. Fouling in mikrostrukturierten Apparaten führt zu einer geringeren Wärmeübertragung und einer Querschnittsverengung im Mikrokanal. Beides kann die Produktqualität und die Funktion des Apparates stark beeinträchtigen, weswegen industrielle Apparate bei ihrer Auslegung oftmals überdimensioniert werden.

Ziel des Vorhabens ist die Aufklärung des Foulingvorgangs und die Entkopplung der Einzelprozesse Ablagerung und Abtrag während des Entstehungsprozesses. In diesem Projekt wird das thermisch induzierte Fouling von Molkenproteinen in einem im Vorprojekt konzeptionierten Mikrowärme-übertrager betrachtet. Dabei werden sowohl die Initialisierungsphase durch Überschreiten der Grenztemperatur, die zur Denaturierung des Proteins führt, als auch die Dauer der Temperatur-einwirkung berücksichtigt. In einer bestehenden Mikrowärmeübertrager-Versuchsapparatur werden am ICTV Temperaturverläufe und mittels optischer Messmethoden Foulingphänomene experimentell ermittelt. Das Ganze erfolgt sowohl in Einzel- als auch in Mehrkanalsystemen. Die Messungen werden vom KIT mittels CFD-Simulationen der räumlich und zeitlich aufgelösten Proteinschicht begleitet. Mithilfe eines ganzheitlichen Modellierungsansatzes und der Verknüpfung von Experiment und Simulation können mechanistische Teilmodelle ermittelt und lokale flächenbasierte Fouling-widerstände bestimmt werden. Basierend auf diesen Arbeiten soll sowohl das lokale als auch das integrale Foulingverhalten skalenübergreifend bestimmt werden können, so dass die Belagbildung in konventionellen Apparaten vorhergesagt werden kann.

Ansprechpartnerin: Caroline Otto

Förderung/Förderprogramm: DLR/IGF (01IF22594N)

Laufzeit: vom 01.11.2022 bis 30.04.2025 (ggf. Verlängerung um 6 Monate)

Thermische Trennverfahren wie Destillation, Absorption und Rektifikation sind essenzielle, aber energieintensive Prozesse in der Industrie. Ein zentrales Problem ist die Mitführung von Tropfen mit der Dampfphase, da dies die Trenneffizienz mindert, die Produktqualität beeinträchtigt und zusätzliche Betriebskosten verursacht. Zudem kann es zu Korrosion, Fouling und Prozessstörungen kommen, die das Betriebsrisiko erhöhen.

Ein wesentlicher Faktor für die Tropfenbildung sind flashende Feeds. Wenn der Druck einer Flüssigkeit unter ihren Sättigungsdruck fällt oder zusätzliche Wärme zugeführt wird, entsteht ein thermodynamisches Ungleichgewicht. Die dabei entstehende Überhitzung wird durch spontane Dampfbildung abgebaut, bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht ist. Dieser Prozess führt zur Bildung zahlreicher Tropfen, deren Abtrennung entscheidend für eine stabile und effiziente Anlagentechnik ist.

Im DLR/IGF-Forschungsprojekt wird die Tropfenentstehung in einer Zwangsumlauf-Entspannungsverdampfung an der TU Braunschweig sowie deren Abscheidung durch Gestrickabscheider am Helmholz Zentrum Dresden-Rossendorf untersucht. Ziel ist es, experimentelle Daten für Realstoffsysteme zu gewinnen, um ein besseres Verständnis über die Einflussfaktoren auf Tropfenbildung und -abtrennung zu erhalten.

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Projektträger: Projektträger Jülich (PtJ)

Förderkennzeichen: 03XP0571 A-D

Laufzeit: 01.12.2023 – 30.11.2026

Im Zuge der Energiewende und als Reaktion auf den globalen Klimawandel gewinnen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zunehmend an Bedeutung. Mit dem stark wachsenden Bedarf an LIB rückt auch die Verwertung von Batterien, die das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben, immer mehr in den Mittelpunkt. Da diese Batterien wertvolle, aber teils umweltbelastende Materialien enthalten, bietet das Recycling eine Chance, die wirtschaftliche Abhängigkeit vom außereuropäischen Ausland zu verringern, die Ressourceneffizienz zu steigern und den ökologischen Fußabdruck von Batterien zu minimieren.

Das Ziel des Projekts „ElRec“ besteht darin, bisher wenig beachtete LIB-Komponenten in einem innovativen Verfahren zurückzugewinnen, um den Stoffkreislauf vollständig zu schließen. Dabei liegt der Fokus auf der Rückgewinnung von hochsiedenden Lösungsmitteln und Leitsalzen aus dem Elektrolyten sowie des Binders. Zusätzlich wird die Reinigung des Recyclingmaterials optimiert, um Herausforderungen in der weiteren Prozesskette zu lösen und die Wirtschaftlichkeit sowie die Gesamtausbeute des Recyclingprozesses signifikant zu erhöhen.

Das Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik beschäftigt sich im Rahmen des Projekts mit der Extraktion von lithiumhaltigen Leitsalzen, schwerflüchtigen Lösungsmitteln und polymerbasierten Bindern. Darauf aufbauend werden die zurückgewonnenen Komponenten im Labormaßstab aufbereitet und die Skalierung auf den Pilotmaßstab begleitet. Parallel dazu modelliert das ICTV den gesamten Recyclingprozess, um eine umfassende Effizienzbewertung und Optimierung zu ermöglichen.

Ansprechpartner: Kai Schröder, Martin Wolke