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

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       1.1 Ziel

      Filtersalz als Nebenprodukt des Sulfatverfahrens zur Titandioxidproduktion soll als potenzieller Stoffstrom zur Verbreiterung der Rohstoffbasis von Vanadium im Allgemeinen und zur Produktion von Vanadiumelektrolyt im Besonderen dienen. Ein Gewinnungsverfahren des Vanadiums aus dem Nebenprodukt konnte im Labormaßstab erarbeitet werden. Inwieweit sich diese technologische Innovation sowie veränderte Nachfragesituationen bestehender Anwendungsgebiete für Vanadium auf das industrielle System des Elements auswirken, wird in der vorliegenden Arbeit untersucht.

      Ziele sind demnach die Erstellung eines globalen Modells industrieller Vanadiumstoffströme, die Erstellung einer Szenarioanalyse zur Abbildung von Entwicklungspfaden sowie die Ableitung von quantitativen Potenzialen der Elektrolytgewinnung aus der Titandioxidindustrie. Insbesondere wird die Beantwortung der Fragestellung untersucht, welchen Einfluss die technologische Innovation zur Verbreiterung der Rohstoffbasis für Vanadium-Redox-Flow-Energiespeicher und welchen Beitrag zur Rohstoffsicherung der Batteriespeichertechnik sie haben kann. Voraussetzung für die Analyse ist die interdisziplinäre Verknüpfung von Daten zu Gewinnungsverfahren, Anwendungen und Märkten von Vanadium. Vor dem Hintergrund des Ausbaus von Energiespeichertechnologien und des spezifischen Rohstoffbedarfs von Vanadium in Vanadium-Redox-Flow-Batteriespeichern wird daher in der vorliegenden Dissertationsschrift mittels Stoffstromanalyse ein globales Stoffstrommodell für das Element Vanadium entwickelt, mit dem dessen Wege durch industrielle Systeme qualitativ und quantitativ analysiert werden. Die Stoffstromanalyse wird dabei in Kombination mit einer Szenarioanalyse durchgeführt. Die Szenarioanalyse soll dabei helfen, Empfehlungen für das zukünftige Stoffstrommanagement auf Basis von konsistenten Entwicklungspfaden abzuleiten.

      Die im Rahmen der Dissertation durchgeführte rohstoffwirtschaftliche Analyse von Vanadium betrachtet die geogenen und anthropogenen Rohstoffe, aus denen es gewonnen wird, die Nutzung des Elements in relevanten Industrien und die Bindung in maßgeblichen Produkten und Reststoffen. Dafür werden sowohl Informationen zu verschiedenen Gewinnungs- und Aufbereitungsverfahren sowie der industriellen Nutzung von vanadiumhaltigen Materialien einbezogen. In der Szenarioanalyse werden Deskriptoren und deren Wirkungsbeziehungen aufgestellt, um eine Aussage treffen zu können, wie die technologische Innovation der Elektrolytgewinnung aus dem Sulfatverfahren und der bestehende Vanadiumstoffstrom in Wechselwirkung stehen. Durch Abbildung der konsistenten Szenariopfade im Stoffstrommodell und unter Einbeziehung des Potenzials aus der Titandioxidindustrie können letztlich die Auswirkungen der technologischen Innovation auf das bestehende industrielle Stoffstromsystem von Vanadium quantitativ bestimmt werden. Die durchgeführte Analyse anhand des Beispiels Vanadium wird zudem auf spezifische Vor- und Nachteile sowie im Hinblick auf generelle Übertragbarkeit bewertet.

      Ausgehend von einer übergeordneten Denkweise einer möglichst effizienten Nutzung von Ressourcen wird das aufgestellte Modell mit Hilfe der Ergebnisse aus der Szenarioanalyse bewertet. Mit der Verknüpfung der Stoffstrom- und der Szenarioanalyse wird analysiert, wie sich der globale Vanadiumstoffstrom bei steigender Nachfrage durch Energiespeichertechnologien verändert und welchen qualitativen und quantitativen Einfluss ein innovatives technologisches Verfahren zur Vanadiumgewinnung auf den industriellen Metabolismus ausübt.