Weißer Phosphor (P₄) ist für die Chemie-, Pharma-, Lebensmittel- und Elektronikindustrie ein unverzichtbarer Rohstoff.

„Wir wollen eine nachhaltige Versorgung mit Rohstoffen sicherstellen, die für die Wirtschaft wichtig, aber schwer zugänglich sind und nur noch begrenzt zur Verfügung stehen“, sagt Prof. Markus Reinmöller, Leiter des Instituts für Energieverfahrenstechnik und Dynamik in Energiesystemen (IED) der Universität Stuttgart. „Das gelingt aber nur, wenn wir diese kritischen Rohstoffe in einer Kreislaufwirtschaft herstellen – so wie mit dem neuen FlashPhos-Verfahren.“

Herkömmliche Methoden gewinnen Phosphor aus Klärschlamm zurück, um damit Düngemittel herzustellen. FlashPhos produziert mit P₄ einen Grundstoff für eine Vielzahl industrieller Anwendungen, unter anderem für die Herstellung von Autobatterien, Flammschutzmitteln, Katalysatoren und Computerchips. Die Abhängigkeit von diesem Ausgangsstoff ist hoch, da der globale P4-Bedarf aktuell von nur vier produzierenden Ländern gedeckt wird.

Klärschlamm entsorgen und Kreislaufwirtschaft stärken

Wirtschaftlich abbaubare Phosphatvorkommen sind global ungleich verteilt. In ganz Europa gibt es, bis auf kleinere Vorkommen in Finnland, keine aktuell abbaubaren Vorkommen. Auch bekannte Vorkommen in Norwegen sind nur schwer zu erschließen. Seit 2012 der letzte P4-produzierende Ofen geschlossen wurde, ist die Europäische Union (EU) vollkommen von Importen abhängig.

Wegen seiner hohen wirtschaftlichen Bedeutung, der Abhängigkeit von Importen und der begrenzten Ressourcen, stuft die EU weißen Phosphor als kritischen Rohstoff ein. Gleichzeitig sind die phosphorhaltigen Klärschlämme, die bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen anfallen, ein wachsendes Umwelt- und Entsorgungsproblem. Deswegen ist in Deutschland ab 2029 eine Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm verpflichtend vorgeschrieben.

FlashPhos-Anlagen sollen zukünftig eine umweltfreundliche Klärschlammentsorgung mit einer vollkommenen Nutzung der enthaltenen Stoffe ermöglichen. Neben dem weißen Phosphor liefert der Prozess nutzbare Stoffe, mit denen CO₂-intensive Rohstoffe ersetzt werden können.

„Damit machen wir uns unabhängiger von Importen und stärken eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft“, erläutert Christian Schmidberger, Wissenschaftler am IED und FlashPhos-Koordinator.

Messungen am Flashreaktor: Er wandelt den pulverisierten Klärschlamm in ein brennbares Gas und phosphathaltige Klärschlammschlacke um. (Quelle: Universität Stuttgart / Christian Schmidberger)

Innovatives Verfahren in drei Schritten

Das FlashPhos-Verfahren besteht aus drei Prozessschritten, in denen die Abtrennung des Phosphors vom Klärschlamm vorbereitet und durchgeführt wird. Als erstes wird in einem neu entwickelten Mahltrockner („Dryer-Grinder“) aus dem feuchten Klärschlamm ein feines, nahezu wasserfreies Pulver gewonnen. Dieses Pulver wird dann im „Flash-Reaktor“ in Millisekunden in ein brennbares Gas und phosphathaltige Klärschlammschlacke umgewandelt. Der Prozess findet bei Temperaturen von 1.600°C statt. Die benötigte Energie stammt aus den organischen (kohlenstoffhaltigen) Bestandteilen des Klärschlammpulvers. Die Klärschlammschlacke wird im letzten Prozessschritt, dem sogenannten „Refiner“, bei ähnlichen Temperaturen „veredelt“. Als Hauptprodukt entsteht elementarer weißer Phosphor. Weitere Produkte sind ein klimafreundlicher Zementersatz, eine Eisenlegierung und ein Schwermetallkonzentrat für die Metallindustrie. Gase und Abwärme, die während des FlashPhos-Prozesses entstehen, können in weiteren industriellen Prozessen Anwendung finden und fossile Brennstoffe ersetzen.

Skalierung für die industrielle Produktion

Der vom Projektpartner Buss-SMS-Canzler GmbH (SMS) entwickelte Mahltrockner wurde am Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart erprobt und optimiert. Die Demonstratoren des Flash- und Refiner-Reaktors wurden gemeinsam von zahlreichen Projektpartnern entwickelt und beim Projektpartner Aufbereitung Recycling und Prüftechnik GmbH (ARP) im österreichischen Leoben aufgebaut. Die Pilotanlage verarbeitet bis zu 250 kg Klärschlammpulver pro Stunde.

Im nächsten Schritt soll eine erste große Produktionsanlage entwickelt und gebaut werden. 2028 wollen die an FlashPhos beteiligten Industriepartner beginnen, weißen Phosphor im industriellen Maßstab herzustellen. Eine Herausforderung ist unter anderem noch die Beschaffung des Klärschlamms. Das Aufkommen ist nur in dicht besiedelten Regionen hoch genug.

„Ballungszentren wie das Ruhrgebiet, Barcelona, Madrid oder Mailand wären prädestiniert dafür“, sagt Schmidberger. Bis 2050 sollen FlashPhos-Anlagen die Hälfte des europäischen P₄-Bedarfs decken können. Das Forschungsteam denkt bereits über weitere Anwendungen nach. „Am IED ist unser langfristiges Ziel, auch weitere kritische Rohmaterialien aus Abfallströmen zu gewinnen“, sagt Reinmöller.

Zum Verbundprojekt FlashPhos

Das Projekt FlashPhos (Laufzeit: Mai 2021 bis April 2026) wird im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizon 2020“ (Fördervereinbarung 958267) von der Europäischen Union mit rund 12 Millionen Euro gefördert. Unter Koordination der Universität Stuttgart beteiligen sich insgesamt 17 Partner aus Industrie und Wissenschaft aus Österreich, Deutschland, Belgien, Italien und Spanien an dem Projekt.

Die Abschlusskonferenz des Projekts findet am 21.04.2026 im Communications Center Donawitz in Leoben statt, inklusive einer Führung durch die Versuchshallen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Christian Schmidberger, Universität Stuttgart, Institut für Energieverfahrenstechnik und Dynamik in Energiesystemen, Tel: +49 711 685-67762, christian.schmidberger@ied.uni-stuttgart.de

Prof. Markus Reinmöller, Universität Stuttgart, Institut für Energieverfahrenstechnik und Dynamik in Energiesystemen, Tel: +49 711 685-63488, E-Mail: markus.reinmoeller@ied.uni-stuttgart.de