Untersuchung des Einflusses technologischer Innovationen auf Stoffströme am Beispiel von Vanadium für Redox-Flow-Batterien. Jochen Nühlen

Implementierung und Überführung einer Technologie in neue Wertschöpfungssysteme zu gewährleisten.

      Vanadium wird aktuell hauptsächlich in Eisen- und in Nichteisen-Legierungen als Legierungselement genutzt. Eine potenziell relevante neue Anwendung für das Element ist die Nutzung als aktives Material in Vanadium-Redox-Flow-Batteriespeichern (VRFB). Zielkonflikte zwischen Anwendungsoptionen, denkbaren Verknappungen durch Nachfrageeffekte sowie die langfristige Verfügbarkeit eines Elements müssen vermieden werden. Die Dissertation umfasst den aktuellen Stand zu industriellen Vanadiumstoffströmen und zukünftigen technischen Anwendungsoptionen. Mit Hilfe einer Szenarioanalyse werden die Auswirkungen eines neuen vanadiumhaltigen Sekundärrohstoffstroms zur Elektrolytproduktion für VRFB idealisiert beschrieben und die Energiewende mit der Rohstoffwende verknüpft.

      In der Dissertation wurden ein qualitatives und ein quantitatives Stoffstrommodell erstellt, mit dem das anthropogene Vanadiumstoffstromsystem idealisiert beschrieben werden kann. Auf Grundlage der Arbeitshypothese der Marktverfügbarkeit des in TRL 3 befindlichen Gewinnungsverfahrens aus dem Sulfatverfahren wurde eine Szenarioanalyse durchgeführt, um konsistente Wirkungspfade der technologischen Innovation unter Berücksichtigung der bestehenden Vanadiumnutzung zu ermitteln. Zur Bestimmung des quantitativen Potenzials des Stoffstroms aus der Titandioxidproduktion wurde ein fiktiver Modellstandort erarbeitet. In der EU sind unter Berücksichtigung von Prozessvariablen zwischen 0,26–0,82 GWh/a Speicherkapazität in Filtersalz gebunden.

      Durch Anwendung der Szenarioanalyse wurden zwei Szenarien für mögliche Zukunftspfade identifiziert und auf das Stoffstrommodell übertragen. Das Filtersalz als potenzieller Stoffstrom führt im Trendszenario zu einer Verbreiterung der Rohstoffbasis zwischen 2,4–2,9 %, im Szenario A zwischen 0,4–0,5 % und im Szenario B zwischen 5,4–6,7 %. In Szenario A wird eine weltweit produzierbare Elektrolytmenge durch die Filtersalzaufbereitung von 3.555 ± 605 m³/a ausgewiesen. Die Deckung des VRFB-Speicherbedarfs von 3.820 ± 637 m³/a ist somit ohne Zielkonflikte mit bestehenden Anwendungen realisierbar. Die Ergebnisse bieten eine argumentative Grundlage bei der Entscheidung zur Weiterentwicklung der Vanadiumelektrolyt-produktion auf Filtersalzbasis. Durch Variation des Modellzwecks können zudem weitere Modelle zur Untersuchung der Auswirkungen anderer industrieller vanadiumnutzender Systeme erstellt werden.

       Inhaltsverzeichnis

       Cover

       Titel

       Impressum

       Abbildungsverzeichnis

       Tabellenverzeichnis

       Abkürzungsverzeichnis

      1 Einleitung

      1.1 Ziel

      1.2 Vorgehen

      2 Grundlagen

      2.1 Herausforderungen der Rohstoffversorgung

      2.2 Vanadium

      2.2.1 Reserven und Ressourcen

      2.2.2 Gewinnung und Verarbeitung

      2.2.3 Anwendung

      2.2.4 Vanadium als kritischer Rohstoff

      2.3 Energiespeichertechnologien

      2.3.1 Vanadium-Redox-Flow-Batteriespeicher

      2.3.2 Vanadiumelektrolyt

      2.4 Titandioxidproduktion

      2.4.1 Sulfatverfahren

      2.4.2 Rohstoffeinsatz des Sulfatverfahrens

      2.4.3 Nebenprodukte des Sulfatverfahrens

      2.5 Stoffstrommanagement

      3 Methodik

      3.1 Stoffflussanalyse

      3.2 Stoffstrommodell

      3.3 Szenarioanalyse

      3.3.1 Deskriptoren

      3.3.2 Cross-Impact-Matrix

      3.3.3 Szenarienableitung