Klärschlamm gilt für viele Menschen als lästiger Abfall aus der Abwasserreinigung. Tatsächlich steckt in diesem Reststoff jedoch ein Rohstoff, der für zahlreiche Industrien unverzichtbar ist: Phosphor. Mit dem neuen Verfahren FlashPhos soll es künftig möglich werden, aus Klärschlamm weißen Phosphor zurückzugewinnen und gleichzeitig das Entsorgungsproblem zu lösen.
FlashPhos: Wie aus Klärschlamm wertvoller Phosphor entsteht
Das Besondere daran: FlashPhos ist derzeit die einzige bekannte Technologie in Europa, die weißen Phosphor umweltfreundlich, wirtschaftlich und im industriellen Maßstab herstellen kann. Damit könnte Europa künftig deutlich unabhängiger von Importen werden.
- Neues thermochemisches Verfahren zur Gewinnung von weißem Phosphor aus Klärschlamm
- Entwickelt von einem europäischen Konsortium unter Leitung der Universität Stuttgart
- Einzige Technologie in Europa zur direkten Herstellung von weißem Phosphor
- Verarbeitet Klärschlamm zu mehreren nutzbaren Rohstoffen
- Soll bis 2050 rund 50 Prozent des europäischen Bedarfs decken
Warum Phosphor ein strategisch wichtiger Rohstoff ist
Phosphor gehört zu den wichtigsten Rohstoffen der modernen Industrie. Besonders der sogenannte weiße Phosphor, chemisch als P₄ bezeichnet, wird in vielen Bereichen benötigt. Ohne ihn wären zahlreiche Produkte des täglichen Lebens kaum herstellbar.
Weißen Phosphor findest du indirekt in:
- Autobatterien und Akkus
- Computerchips und Halbleitern
- Flammschutzmitteln
- Katalysatoren
- Pharmazeutischen Produkten
- Lebensmittelzusätzen
- Spezialchemikalien
Vor allem die Elektronik- und Batterieindustrie benötigt immer größere Mengen dieses Rohstoffs. Durch die Energiewende, Elektromobilität und Digitalisierung steigt die Nachfrage in den kommenden Jahren weiter an.
Europa ist vollständig auf Importe angewiesen
Das Problem: In Europa gibt es kaum nutzbare Phosphatvorkommen. Wirtschaftlich interessante Lagerstätten befinden sich hauptsächlich außerhalb Europas. Weltweit wird weißer Phosphor nur in wenigen Ländern produziert. Aktuell decken lediglich vier Staaten den Großteil des globalen Bedarfs.
Seitdem 2012 der letzte europäische Ofen zur Herstellung von weißem Phosphor geschlossen wurde, ist die Europäische Union vollständig auf Importe angewiesen. Das macht Europa verletzlich.
Wenn Lieferketten gestört werden, politische Krisen auftreten oder die Preise steigen, kann das schnell zu Problemen für die Industrie führen.
Phosphor wurde von der Europäischen Union als kritischer Rohstoff eingestuft. Das bedeutet, dass seine Versorgung für die Wirtschaft wichtig ist, gleichzeitig aber ein hohes Risiko von Engpässen besteht.
Klärschlamm als unterschätzte Rohstoffquelle
Jeden Tag fallen in Kläranlagen große Mengen Klärschlamm an. Dieser entsteht bei der Reinigung von Abwasser aus Haushalten, Industrie und Gewerbe. Bisher wird Klärschlamm häufig verbrannt oder teuer entsorgt.
Das Problem dabei: Im Klärschlamm steckt viel Phosphor. Wird der Schlamm einfach verbrannt oder deponiert, geht dieser Rohstoff verloren.
Gleichzeitig verursacht die Entsorgung hohe Kosten und Umweltprobleme. Denn Klärschlamm enthält neben wertvollen Stoffen auch Schadstoffe und Schwermetalle.
Warum die Rückgewinnung künftig Pflicht wird
Deutschland hat bereits gesetzlich reagiert. Ab dem Jahr 2029 müssen größere Kläranlagen den enthaltenen Phosphor verpflichtend zurückgewinnen.
Die gesetzliche Grundlage dafür bildet die deutsche Klärschlammverordnung. Ziel ist es, wertvolle Rohstoffe im Kreislauf zu halten und die Abhängigkeit von Importen zu verringern.
Das bedeutet: Städte, Kommunen und Betreiber von Kläranlagen müssen künftig neue Wege finden, um den enthaltenen Phosphor wirtschaftlich zurückzugewinnen.
Genau hier setzt FlashPhos an.
Was ist beim FlashPhos-Verfahren passiert?
Unter Leitung der Universität Stuttgart wurde in den vergangenen Jahren ein neues Verfahren entwickelt, das die Entsorgung von Klärschlamm und die Herstellung von weißem Phosphor miteinander verbindet.
Im Rahmen des EU-Projekts FlashPhos arbeiteten 17 Partner aus Deutschland, Österreich, Belgien, Italien und Spanien zusammen. Das Projekt lief von Mai 2021 bis April 2026 und wurde mit rund 12 Millionen Euro aus dem EU-Forschungsprogramm Horizon 2020 gefördert.
Die Forscher entwickelten eine Pilotanlage, die bereits bis zu 250 Kilogramm Klärschlammpulver pro Stunde verarbeiten kann.
Damit wurde erstmals gezeigt, dass die Herstellung von weißem Phosphor aus Klärschlamm technisch funktioniert und wirtschaftlich interessant sein kann.
Ein europäisches Forschungskonsortium hat erstmals eine Technologie entwickelt, die weißen Phosphor direkt aus Klärschlamm gewinnt. Die Pilotanlage funktioniert bereits erfolgreich.
Das Verfahren könnte Europa unabhängiger von Rohstoffimporten machen, die Entsorgung von Klärschlamm verbessern und gleichzeitig mehrere neue Rohstoffe liefern.
Besonders wichtig ist die Entwicklung für Kommunen, Betreiber von Kläranlagen, die Chemieindustrie, Batteriehersteller, die Bauwirtschaft und politische Entscheidungsträger.
So funktioniert FlashPhos Schritt für Schritt
Das FlashPhos-Verfahren besteht aus drei zentralen Prozessschritten. Ziel ist es, den im Klärschlamm enthaltenen Phosphor von anderen Bestandteilen zu trennen und in eine nutzbare Form umzuwandeln.
1. Trocknung und Zerkleinerung des Klärschlamms
Im ersten Schritt wird der feuchte Klärschlamm in einem speziellen Mahltrockner behandelt. Dieser sogenannte Dryer Grinder trocknet den Schlamm nahezu vollständig und zerkleinert ihn gleichzeitig zu einem feinen Pulver.
Das ist wichtig, weil sich trockener und feiner Klärschlamm später besser weiterverarbeiten lässt.
Am Ende dieses Schrittes entsteht ein nahezu wasserfreies Pulver mit hohem Phosphorgehalt.
2. Umsetzung im Flash-Reaktor
Im zweiten Schritt gelangt das Pulver in den sogenannten Flash-Reaktor. Dort wird es innerhalb weniger Millisekunden auf rund 1.600 Grad Celsius erhitzt.
Durch diese extrem hohen Temperaturen entstehen zwei wichtige Produkte:
- Ein brennbares Gas
- Eine phosphathaltige Schlacke
Besonders interessant ist, dass die benötigte Energie größtenteils aus den organischen Bestandteilen des Klärschlamms selbst stammt. Das macht den Prozess deutlich energieeffizienter.
3. Veredelung im Refiner
Im letzten Schritt wird die phosphathaltige Schlacke erneut bei etwa 1.600 Grad behandelt. Dieser Teil des Verfahrens wird Refiner genannt.
Hier entsteht schließlich der gewünschte weiße Phosphor.
Zusätzlich fallen weitere Stoffe an, die ebenfalls genutzt werden können:
- Zementersatz für die Bauindustrie
- Eisenlegierungen für die Metallindustrie
- Schwermetallkonzentrate zur weiteren Verwertung
- Abwärme und Prozessgase für andere Industrieanlagen
Damit wird der Klärschlamm nahezu vollständig verwertet. Genau das ist ein wichtiger Grundgedanke der Kreislaufwirtschaft.
Ein großer Ballungsraum wie das Ruhrgebiet produziert täglich enorme Mengen Klärschlamm. Mit einer FlashPhos-Anlage könnte daraus nicht nur weißer Phosphor gewonnen werden. Gleichzeitig würden auch Baustoffe und Metalle entstehen, die heute teuer importiert werden müssen.
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Welche Vorteile hat FlashPhos gegenüber bisherigen Verfahren?
Bisherige Methoden zur Phosphorrückgewinnung konzentrieren sich meist auf die Herstellung von Düngemitteln. Der zurückgewonnene Phosphor wird dann vor allem in der Landwirtschaft eingesetzt.
FlashPhos geht deutlich weiter. Das Verfahren produziert direkt weißen Phosphor, also den industriell wertvollsten Ausgangsstoff.
Die wichtigsten Vorteile im Überblick
- Herstellung von industriell nutzbarem weißem Phosphor
- Nahezu vollständige Verwertung des Klärschlamms
- Weniger Abhängigkeit von Importen
- Reduktion von CO₂-intensiven Rohstoffen
- Energiegewinnung aus dem Klärschlamm selbst
- Zusätzliche Nebenprodukte mit wirtschaftlichem Nutzen
Dadurch kann das Verfahren sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich interessant sein.
Welche Nachteile und Herausforderungen gibt es?
Trotz der Vorteile gibt es noch einige offene Fragen und Herausforderungen.
- Die Technologie befindet sich noch im Übergang vom Pilotprojekt zur Großanlage
- Der Bau entsprechender Anlagen ist teuer
- Es werden große Mengen Klärschlamm benötigt
- Der Transport des Schlamms kann aufwendig sein
- Die hohen Temperaturen erfordern robuste Technik
Vor allem in dünn besiedelten Regionen dürfte sich eine solche Anlage wirtschaftlich kaum lohnen. Geeignet sind eher Ballungsräume mit vielen Einwohnern und großen Kläranlagen.
Wo könnten die ersten FlashPhos-Anlagen entstehen?
Nach Angaben der Forscher kommen vor allem dicht besiedelte Regionen infrage. Dort fällt genügend Klärschlamm an, um eine Anlage wirtschaftlich betreiben zu können.
Besonders geeignet wären:
- Ruhrgebiet
- Barcelona
- Madrid
- Mailand
- Großräume rund um Berlin oder Hamburg
Die Industriepartner planen, ab 2028 mit der Herstellung von weißem Phosphor im größeren Maßstab zu beginnen.
Langfristig sollen die Anlagen bis zum Jahr 2050 rund die Hälfte des europäischen Bedarfs an weißem Phosphor decken.
- 50 Prozent des europäischen Bedarfs könnten aus Klärschlamm gedeckt werden
- Importabhängigkeit würde deutlich sinken
- Mehrere Millionen Tonnen Klärschlamm könnten sinnvoll verwertet werden
- CO₂-Emissionen würden reduziert
Rechtliche Einordnung: Welche Rolle spielt die EU?
Die Europäische Union betrachtet weißen Phosphor als kritischen Rohstoff. Deshalb unterstützt sie Projekte wie FlashPhos gezielt finanziell.
Das Projekt wurde im Rahmen von Horizon 2020 gefördert, dem Forschungs- und Innovationsprogramm der EU.
Zusätzlich arbeitet die EU an einer Strategie, um kritische Rohstoffe verstärkt innerhalb Europas zu gewinnen. Ziel ist es, weniger abhängig von Drittstaaten zu sein.
FlashPhos passt genau zu dieser Strategie, weil es einen Rohstoff aus einem vorhandenen Abfallstrom zurückgewinnt.
Welche gesetzlichen Vorgaben gelten in Deutschland?
In Deutschland verpflichtet die Klärschlammverordnung große Kläranlagen ab 2029 zur Phosphorrückgewinnung.
Damit entsteht in den kommenden Jahren ein großer Bedarf an neuen Technologien.
Kommunen und Unternehmen müssen entscheiden, ob sie:
- eigene Rückgewinnungsanlagen bauen
- mit spezialisierten Unternehmen zusammenarbeiten
- neue Verfahren wie FlashPhos einsetzen
Für viele Betreiber dürfte FlashPhos interessant werden, weil es nicht nur Kosten verursacht, sondern zusätzliche Erlöse durch die gewonnenen Rohstoffe ermöglichen könnte.
Medizinische und industrielle Grenzen des Verfahrens
Auch wenn FlashPhos große Chancen bietet, sollte man die Grenzen des Verfahrens kennen.
Weißer Phosphor ist ein hochreaktiver Stoff und muss sehr sorgfältig gehandhabt werden. Er eignet sich nicht für den direkten Einsatz in Lebensmitteln oder Medikamenten.
Er dient vielmehr als Ausgangsstoff, der in der Industrie weiterverarbeitet wird.
Außerdem ersetzt das Verfahren nicht den gesamten Bedarf an Phosphor. Selbst wenn die geplanten Ziele erreicht werden, müsste Europa weiterhin einen Teil des Rohstoffs importieren.
Hinzu kommt: Nicht jeder Klärschlamm eignet sich gleichermaßen. Zusammensetzung, Schadstoffbelastung und Wassergehalt können stark variieren.
Warum hohe Sicherheitsstandards nötig sind
Die Verarbeitung bei Temperaturen von 1.600 Grad und der Umgang mit weißem Phosphor erfordern hohe technische und sicherheitsrelevante Standards.
Dazu gehören:
- Geschlossene Produktionssysteme
- Filtertechnik gegen Schadstoffe
- Sichere Lagerung des Phosphors
- Kontrollierte Entsorgung von Reststoffen
Ohne diese Schutzmaßnahmen wäre der industrielle Einsatz nicht möglich.
Welche Bedeutung hat FlashPhos für die Kreislaufwirtschaft?
Die Kreislaufwirtschaft verfolgt das Ziel, Rohstoffe möglichst lange im Wirtschaftskreislauf zu halten. Statt Abfälle einfach zu entsorgen, sollen sie als neue Rohstoffquelle dienen.
FlashPhos ist ein gutes Beispiel dafür. Denn der Prozess zeigt, dass selbst vermeintlich wertloser Klärschlamm noch viele nutzbare Stoffe enthält.
Durch die Rückgewinnung von Phosphor, Metallen und Baustoffen entsteht aus einem Entsorgungsproblem eine wertvolle Ressource.
Das ist nicht nur ökologisch sinnvoll. Es kann auch wirtschaftlich attraktiv sein, weil weniger Rohstoffe importiert werden müssen.
Ausblick: Weitere Rohstoffe aus Abfällen gewinnen
Die Forscher denken bereits weiter. Langfristig sollen auch andere kritische Rohstoffe aus Abfallströmen zurückgewonnen werden.
Dazu könnten beispielsweise gehören:
- Seltene Metalle aus Elektronikschrott
- Lithium aus Batterien
- Kupfer und Nickel aus Industrieabfällen
- Weitere Mineralstoffe aus Klärschlamm
Damit könnte die Kreislaufwirtschaft in Europa in den kommenden Jahrzehnten deutlich an Bedeutung gewinnen.
Zusammenfassung: Warum FlashPhos ein wichtiger Schritt ist
FlashPhos zeigt, dass sich Klärschlamm nicht nur entsorgen, sondern sinnvoll nutzen lässt. Das Verfahren gewinnt aus einem problematischen Abfallstoff weißen Phosphor und weitere wertvolle Rohstoffe.
Für Europa ist das besonders wichtig, weil der Kontinent bislang vollständig auf Importe angewiesen ist. Gleichzeitig zwingt die neue Gesetzgebung viele Kläranlagen ohnehin dazu, künftig Phosphor zurückzugewinnen.
Wenn sich FlashPhos im industriellen Maßstab durchsetzt, könnte Europa unabhängiger, nachhaltiger und wirtschaftlich stabiler werden.
Bis zur breiten Nutzung bleiben zwar noch technische und wirtschaftliche Herausforderungen. Trotzdem gilt das Verfahren schon heute als einer der spannendsten Ansätze für die Rohstoffversorgung der Zukunft.
Quelle / Infos / Pressemitteilung: https://idw-online.de/de/news868629 und https://flashphos-project.eu/
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Autor und Bild: Chad Gregor Paul Thiele
Kein Anspruch / Gewähr auf Aktualität, Vollständigkeit und Richtigkeit der News bzw. Pressemeldung