Dem Projektvorhaben liegt folgende Problemstellung zu Grunde: Brennstoffzellensysteme werden erst wirtschaftlich und ökologisch nachhaltig, wenn eine Kreislaufwirtschaft um das Produkt aufgebaut wird. Dies liegt zum einen darin begründet, dass (Primär-)Platin, das Teil der MEA ist, einen erheblichen Anteil am CO2-Fußabdruck und den Kosten eines Brennstoffzellenstacks hat und zum anderen, dass Brennstoffzellensysteme eine hohe Wertschöpfung haben, welche am Ende des ersten Produktlebenszyklus so weit wie möglich erhalten bleiben sollte. Da verschiedene Komponenten der Brennstoffzelle, insbesondere die MEA, nach einer gewissen Betriebszeit chemische Degradationserscheinungen aufweisen, ist eine unmittelbare Weiterverwendung ausgeschlossen. Sobald ein Brennstoffzellenstack an sein Lebensende gelangt oder aufgrund eines Defekts frühzeitig ausfällt, bedarf es einer Zustandsbeurteilung des Stacks. Daraus muss abgeleitet werden, ob eine Reparatur des Stacks in Form eines Austauschs degradierter Zellen möglich ist. Falls dies nicht mehr möglich ist, bedarf es der Demontage des Brennstoffzellenstacks sowie einer entsprechenden Befundung und ggf. Wiederaufbereitung der Einzelkomponenten, um der Anforderung eines möglichst hohen Wertschöpfungserhalts gerecht zu werden. Komponenten, die aufgrund irreversibler Degradationserscheinungen nicht mehr aufbereitet werden können, müssen im Sinne der Nachhaltigkeit möglichst sortenrein einem Recycling zugeführt werden. Unter Berücksichtigung der erwarteten Stückzahlen müssen daher bereits jetzt Konzepte für die automatisierte Zustandsbeurteilung und Demontage von Brennstoffzellenstacks, mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft, entwickelt werden, um langfristig zum Erfolg der Technologie beizutragen.
Veranlassung
Baggergut das aufgrund erhöhter Nährstoffkonzentrationen für eine Umlagerung in der Ostsee nicht geeignet ist, wird häufig auf Spülfeldern im Küstenbereich abgelagert, um anschließend verwertet zu werden. Gelegentlich kann das Überschreiten von Grenzwerten des Arsens (As) im Eluat dazu führen, dass das Ausleiten des Überstandwassers seitens der zuständigen Landesbehörden nicht genehmigt wird, wodurch das Abtrocknen des Sediments, und somit der wichtigste Prozess der As-Retention, verlangsamt wird. Die Aussagekraft der Eluattests zur Abschätzung der Metall(oid)-Freisetzung aus den Spülfeldsedimenten ist sehr begrenzt, da die an Organik reichen, anaeroben Sedimente der Ostsee nach dem Aufbringen auf ein Spülfeld zeitlichen Änderungen von z.B. Temperatur- und Redoxbedingungen unterliegen. Darüber hinaus ist damit zur rechnen, dass diese Situation klimawandelbedingt durch ein häufigeres Auftreten von Trockenheitsereignissen weiter erschwert wird, da es zu einer Verstärkung vertikaler pH- und Redox-Gradienten und einer beschleunigten Mobilisierung von Cadmium, Nickel oder Zink unter oxischen Bedingungen als Folgewirkung der Sulfid-Oxidation kommt.
Es besteht ein hoher Bedarf die Möglichkeiten der Verwertung von Spülfeldsedimenten zu verbessern und die Kapazitäten der Spülfelder für zukünftig anfallendes Baggergut zu erhalten. Kenntnisse über die Zusammenhänge der Metall(oid)mobilität mit zeitlich dynamischen Sedimenteigenschaften können hierzu einen wichtigen Beitrag liefern.
Darüber hinaus soll in diesem Projekt untersucht werden inwieweit Unterschiede je nach Alter und Herkunft der Spülfeldsedimente bei der Transformation von PFAS-Vorläufersubstanzen hin zu Perfluorcarbonsäuren bestehen. Dies ist für Spülfeldsedimente der Ostsee bisher nicht bekannt. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass relevante Grenzwerte nicht überschritten werden, da auch andere ubiquitäre Schadstoffe gewöhnlich in unterdurchschnittlichen Mengen auftreten. Vor dem Hintergrund ihrer guten Wasserlöslichkeit sind vertiefte Kenntnisse zur Bildung der Perfluorcarbonsäuren allerdings von hoher Bedeutung.
Eine Optimierung der Verwertungsmöglichkeiten des Baggerguts der Ostsee-Spülfelder liefert auch für Wasserstraßen- und Schifffahrtsämter (WSA) der Binnenbereiche eine wichtige theoretische Arbeitsgrundlage. Dies betrifft einerseits die Handhabung des Baggerguts aus WSA-Talsperren, in denen ebenfalls schadstoffarmes, nährstoffreiches und stark organikhaltiges Baggergut anfällt, und welches somit im Beräumungsfall einer Problematik ähnlich den Ostsee-Spülfeldsedimenten unterliegt. Andererseits befinden sich im norddeutschen Raum zahlreiche WSA-Spülfelder deren Betrieb innerhalb der letzten Dekade eingestellt oder stark zurückgefahren wurde. Hier könnten die Projektergebnisse als Orientierung dienen, wenn eine Reaktivierung dieser Spülfelder gewünscht wird.
Ziele
- Erfassung des Einflusses verschiedener Bearbeitungstechniken auf die Mobilität anorganischer und organischer Schadstoffe in aufgespültem Baggergut
- Erarbeitung detaillierter Kenntnisse zur Mobilität verschiedener Arsenspezies und weiterer Metall(oid)e, zu den dabei relevanten mikrobiologischen Prozessen sowie zu Möglichkeiten der Reduzierung der Arsenfreisetzung
- Untersuchung des Freisetzungsverhaltens perfluorierter Verbindungen (PFAS) im Kontext des Reifungsprozesses von Baggergut sowie in Abhängigkeit des fluvialen Sedimenttransports
- Ableitung und Anwendung geeigneter Remediationstechniken zur Behandlung von anoxischem Überstandwasser.
Brennstoffzellensysteme werden erst wirtschaftlich und ökologisch nachhaltig, wenn eine Kreislaufwirtschaft um das Produkt aufgebaut wird. Denn (Primär-)Platin, das Teil der MEA ist, hat einen erheblichen Anteil am CO2-Fußabdruck und den Kosten eines Brennstoffzellenstacks. Außerdem haben Brennstoffzellensysteme eine hohe Wertschöpfung, die am Ende des ersten Produktlebenszyklus so weit wie möglich erhalten bleiben sollte. Brennstoffzellekomponenten, insbesondere die MEA, weisen nach einer gewissen Betriebszeit chemische Degradationserscheinungen auf und können nicht unmittelbar weiterverwendet werden. Sobald ein Brennstoffzellenstack an sein Lebensende gelangt oder aufgrund eines Defekts frühzeitig ausfällt, muss sein Zustand beurteilt werden. Daraus muss abgeleitet werden, ob eine Reparatur des Stacks in Form eines Austauschs degradierter Zellen möglich ist. Falls nicht, muss der Brennstoffzellenstack demontiert, entsprechend befundet und ggf. Einzelkomponenten wiederaufbereitet werden, um der Anforderung eines möglichst hohen Wertschöpfungserhalts gerecht zu werden. Komponenten, die aufgrund irreversibler Degradationserscheinungen nicht mehr aufbereitet werden können, müssen im Sinne der Nachhaltigkeit möglichst sortenrein einem Recycling zugeführt werden. Unter Berücksichtigung der erwarteten Stückzahlen müssen daher bereits jetzt Konzepte für die automatisierte Zustandsbeurteilung und Demontage von Brennstoffzellenstacks, mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft, entwickelt werden, um langfristig zum Erfolg der Technologie beizutragen. ISRA untersucht im Teilvorhaben in AP3 Inline-Messtechniken zur Erkennung von Korrosion, Deformation und Anhaftung von Dichtungsresten bei demontierten Bipolarplatten. In AP4 wird ISRA versuchen, mit Hilfe von Methoden der Produktionsanalyse bei der Untersuchung der Korrelationen der Parameter für den Aufbau eines vereinfachten Alterungsmodells mitzuwirken. In AP5 werden die Ergebnisse aus AP3 in einen Demonstrator überführt.
Brennstoffzellensysteme werden erst wirtschaftlich und ökologisch nachhaltig, wenn eine Kreislaufwirtschaft um das Produkt aufgebaut wird. Dies liegt zum einen darin begründet, dass (Primär-)Platin, das Teil der MEA ist, einen erheblichen Anteil am CO2-Fußabdruck und den Kosten eines Brennstoffzellenstacks hat und zum anderen, dass Brennstoffzellensysteme eine hohe Wertschöpfung haben, welche am Ende des ersten Produktlebenszyklus so weit wie möglich erhalten bleiben sollte. Da verschiedene Komponenten der Brennstoffzelle, insbesondere die MEA, nach einer gewissen Betriebszeit chemische Degradationserscheinungen aufweisen, ist eine unmittelbare Weiterverwendung ausgeschlossen. Sobald ein Brennstoffzellenstack an sein Lebensende gelangt oder aufgrund eines Defekts frühzeitig ausfällt, bedarf es einer Zustandsbeurteilung des Stacks. Daraus muss abgeleitet werden, ob eine Reparatur des Stacks in Form eines Austauschs degradierter Zellen möglich ist. Falls dies nicht mehr möglich ist, bedarf es der Demontage des Brennstoffzellenstacks sowie einer entsprechenden Befundung und ggf. Wiederaufbereitung der Einzelkomponenten, um der Anforderung eines hohen Wertschöpfungserhalts gerecht zu werden. Komponenten, die aufgrund irreversibler Degradationserscheinungen nicht mehr aufbereitet werden können, müssen möglichst sortenrein einem Recycling zugeführt werden. Unter Berücksichtigung der erwarteten Stückzahlen müssen daher bereits jetzt Konzepte für die automatisierte Zustandsbeurteilung und Demontage von Brennstoffzellenstacks, mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft, entwickelt werden, um langfristig zum Erfolg der Technologie beizutragen. Der Fokus des wbks liegt einem Demonstrator für die automatisierte Demontage unter Berücksichtigung der genannten Herausforderungen. Der Demonstrator bildet Aspekte der Handhabung und Qualitätssicherung ab und ist für verschiedene Stackdesigns befähigt.