Pt2Go2Pt: Nachhaltige Platinnutzung für die Elektromobilität

Motivation

Der Trend zur Elektromobilität ist bereits in Deutschland spürbar und wird sich in den nächsten Jahren nachhaltig fortsetzen. Momentan verwenden die meisten Hersteller von e-Bikes, e-Rollern, e-Scootern und e-Autos die leistungsstarke Li-Ionen-Batterie (LIB). Um die CO₂-Emissionen weiter zu reduzieren, wird eine flächendeckende Elektrifizierung von weiteren Transportmitteln mit konventionellen Antrieben, wie z. B. Bussen, LKWs, Dieselzügen, Booten und sogar Flugzeugen, angestrebt. Eine Haupthürde bildet, vor allem in Ballungsgebieten wie Frankfurt am Main, der aufwendige und kostenintensive Aufbau einer Ladeinfrastruktur und neuer Umspannwerke. Da die Tankdauer und die Reichweite im Durchschnitt um mindestens einen Faktor 10 höher bzw. Faktor 5 kleiner sind, als die eines mit konventionellem Kraftstoff betriebenen Fahrzeugs, steht ein drastischer Ausbau der e-Ladestationen bevor. Abgesehen davon, kann aufgrund der begrenzten Ressourcen und bestimmter Auflagen der gigantische Markt der elektrochemischen Speichersysteme nicht alleine von der Li-Ionen-Technologie abgedeckt werden.

Strategie & Herausforderungen

Seit einigen Jahrzehnten wird Wasserstoff als Energieträger der Zukunft betrachtet. Bereits 1875 prophezeite der visionäre Jules Vernes in seinem Roman „l´ile mystérieuse“ „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft“. Insbesondere für Fahrzeuge mit großer Reichweite bzw. hohem Gewicht erscheint die H₂-Brennstoffzelle (H₂-BZ) prädestiniert. Trotz deutlicher Vorteile hinsichtlich der sehr geringen Masse der aktiven Materialien (nur ca. 30 g Pt im „Mirai“ gegenüber jeweils 10 kg Li und Co im Tesla S) konnte die BZ-Technologie, hauptsächlich aufgrund der hohen Kosten und mangelnder H₂-Tankstellen (6 Stück in Hessen) bzw. Akzeptanz, den deutschen Markt bisher nicht durchdringen. Trotz großer Anstrengungen hinsichtlich des Infrastrukturausbaus - 100 H₂-Tankstellen bis 2020 - sind laut Kraftfahrt-Bundesamt gerade einmal 386 Wasserstofffahrzeuge in Deutschland zugelassen und es sind keine Indizien für eine sprunghafte Steigerung in Sicht. Aus dem LKW- und vor allem dem Schienensektor kommen jedoch neue Impulse. Zum Fahrplanwechsel 2022/2023 hat der Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV) eine Flotte von 27 BZ-Zügen als Ersatz für Dieselzüge bestellt.

Die PEM-Brennstoffzellen und PEM-Elektrolyseure sind allerdings noch auf das teure Platin angewiesen, dessen jährliche Gewinnung sich weltweit auf ca. 200 t beläuft. Davon werden alleine 90 t für Verbrenner-Katalysatoren verwendet. Damit wäre theoretisch der Bau von „nur“ 3 Mio. Fahrzeugen des Typs Mirai  möglich (~ 30 g Platin / 100 kW)! Eine globale Wasserstoffwirtschaft kann deshalb nur mit einer einhergehenden systematischen Rückgewinnung des Edelmetalls funktionieren. Im Gegensatz zum sehr etablierten und effizient Recyclingprozess aus den Verbrenner-Katalysatoren (> 90%) stellt die Rückgewinnung von einigen Gramm Platin aus einem Brennstoffzellen-Stapel jedoch eine technische bzw. wirtschaftliche Herausforderung dar.

Projektziele &  DFI-Arbeitspakete

Im Vorhaben „Pt2Go2Pt - Nachhaltige Platin-Nutzung für die Elektromobilität“ werden die Fa. Heraeus und das DECHEMA-Forschungsinstitut ihre Expertise bündeln, um die Prozessparameter der Pt Rückgewinnung zu optimieren, die Abfallströme zu analysieren, die Lücken in der Recyclingkette zu identifizieren und die Kostenstruktur abzuschätzen und somit wesentlich zum Markthochlauf der Elektromobilität in Hessen beitragen. Hauptziel des vorliegenden Vorhabens ist die Rückgewinnung des Pt-Katalysators am Lebensende der Zelle und seine Wiederverwertung in einer neuen PEM-Brennstoffzelle. Somit soll der Pt-Materialkreislauf geschlossen und ein Beitrag zur Kreislaufwirtschaft geleistet werden. In Anlehnung an die pyrometallurgischen Recyclingaktivitäten bei Heraeus, steht am DFI die Machbarkeit der elektrochemischen Pt-Auflösung bzw. -Rückgewinnung aus Gasdiffusionselektroden (GDE) sowie Membran-Elektroden-Einheiten (MEEs) im Hauptfokus der Forschungsaktivitäten. Weiterhin sollen zur Stabilisierung des Pt-Katalysators neuartige Kohlenstoffträger Materialien durch eine soft-Template Route synthetisiert (siehe Abbildung 1) und auf ihre Aktivität bzw. Korrosionswiderstand charakterisiert werden. 

Abbildung 1: Pt-Nanopartikeln auf (links) kommerziellem (mitte & rechts) am DFI hergestellten Kohlenstoffen für die PEM-Brennstoffzelle aus dem Gra2Kat-Projekt

Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.: 847/20-07) wird aus Mitteln des Förderprogramms Elektromobilität in Hessen gefördert.