Fragestellung
Zink ist eines der wichtigsten Metalle der modernen Gesellschaft. Insbesondere die Anwendung als Korrosionsschutz für Stahl macht es zu einem allgegenwärtigen Element des täglichen Lebens, wobei die Nachfrage auch in absehbarer Zukunft weiter steigen wird. Neben der Verwendung als Korrosionsschutz finden sich weitere wichtige Anwendungen von Zink in Gussprodukten bzw. Legierungen, in der Gummi-, Keramik- und Düngemittelindustrie, in der Pharmazie und in Nahrungsergänzungsmitteln.
Der Bedarf an Zink in Europa beträgt zwischen 2,4 bis 2,7 Mio. t/a. Jedoch können nur ca. 27 % des Bedarfs durch Primärproduktion in Europa gedeckt werden. Folglich ergibt sich eine hohe Abhängigkeit von Importen, insbesondere aus Asien und Südamerika. Des Weiteren nimmt generell der Zinkgehalt in Zinkkonzentraten ab, während Eisenverunreinigungen zunehmen. Dies führt zu immer größeren Deponieproblemen.
Einen Ausweg aus dieser Situation stellt das Recycling dar. Allerdings ermöglicht das Umschmelzen von Schrotten nur einen kleinen Beitrag von etwa 6 % des Bedarfs. Aufgrund des flüchtigen Charakters ist Zink häufig als Oxid im Staub von Stahlrecyclinganlagen in wirtschaftlich relevanten Mengen zu finden. Außerdem enthalten Schlacken der Bleiindustrie ebenfalls interessante Mengen an Zinkoxid. Derartige Nebenprodukte haben das Potential einen weitaus größeren Beitrag zur europäischen Versorgung zu leisten. Zink aus Stäuben der Stahlrecyclingindustrie und Schlacken der Bleiindustrie könnte etwa 20 % des Bedarfs decken. Allerdings weisen die derzeitig verfügbaren Technologien zur Aufarbeitung wesentliche Nachteile auf:
- Es wird ausschließlich Zink zurückgewonnen, obwohl weitere Metalle wie Eisen und Blei vorhanden sind.
- Es fallen enorme Mengen neuer Rückstände an, die bis zu 80 % des Einsatzmaterials betragen.
- Die gegenwärtig angewandten Verfahren beruhen auf der Reduktion mit fossilen Kohlenstoffträgern, was zu einem erheblichen CO2-Fußabdruck führt.
Lösungsansätze
Eine Möglichkeit, die Problematik der CO2-Emissionen zu lösen, ist die Verwendung von Wasserstoff. Jedoch ist Wasserstoff zurzeit noch teuer und es fehlen entsprechende Technologien zur Bereitstellung. Eine kurzfristig realisierbare Lösung ist der Einsatz von CO2-neutraler Biokohle, die in vielen Aspekten mit fossilen Kohlenstoffträgern vergleichbar ist und somit in bestehenden Prozessen eingesetzt werden könnte. Allerdings muss der Einfluss der wesentlich höheren Reaktivität und der unterschiedlichen Verunreinigungen untersucht werden. Weiters ist zu definieren, ob und wie bestehende Verfahren für den Einsatz von Biokohlen optimiert werden müssen. In diesem Zusammenhang muss auch die Möglichkeit der Schlackenoptimierung betrachtet werden, um eine Verwertung in der Bauindustrie und damit ein Zero-Waste Konzept zu ermöglicht.
Ziele
Ausgehend vom derzeitigen Stand der Technik, werden in diesem Projekt für beide Ziele, CO2-Neutralität und Zero-Waste, sowohl kurz- bis mittelfristige als auch langfristige Lösungen untersucht. Basierend auf langjähriger Erfahrung in Forschung und Entwicklung im Bereich des Zinkrecyclings werden mögliche Lösungen erarbeitet, modelliert und vom Labor- bis zum Pilotmaßstab getestet. Die Grundlage dafür bildet die Zusammenarbeit mit Industriebetrieben aus relevanten Branchen, die Teil des Konsortiums sind. Diese gewährleisten die industrielle Umsetzbarkeit der entwickelten Konzepte.
Die Umstellung von Zinkrecyclingprozessen auf CO2-Neutralität und Zero-Waste hat einen großen Einfluss auf die eingesetzten Energieträger und deren Bedarf. Neuartige Recyclingverfahren ermöglichen auch neue Wärmeintegrationskonzepte zur Steigerung der Energieeffizienz durch die Nutzung von Abwärme. Einige von ihnen ermöglichen auch die Wasserstofferzeugung vor Ort und ein Nachfragemanagement. Dadurch können Prozesse besser mit den Strommärkten verknüpft und somit Zeitfenster mit niedrigen Strompreisen genutzt werden. Diese energierelevanten Themen werden in einem frühen Stadium behandelt, da sie in dieser Phase des Entwurfs einfacher und umfassender gelöst werden können als bei der Optimierung von Energiesystemen mit bereits vorgegebenen Prozessketten.