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

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 m 3/a ausgewiesen. Die Deckung des VRFB-Speicherbedarfs von 3.820 ± 637 m 3/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.

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Titel UMSICHT-Schriftenreihe Band 91 Jochen Nühlen Untersuchung des Einflusses technologischer Innovationen auf Stoffströme am Beispiel von Vanadium für Redox-Flow-Batterien Verlag Karl Maria Laufen

Impressum Kontaktadresse Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT Osterfelder Str. 3 46047 Oberhausen Telefon 0208 8598-1201 Telefax 0208 8598-1228 E-Mail fachinformation@umsicht.fraunhofer.de URL www.umsicht.fraunhofer.de D 294 Zugl.: Bochum, Univ. Diss., 2020 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN E-Book epub 978-3-87468-438-5 ISBN E-Book mobi 978-3-87468-439-2 Warenzeichen und Handelsnamen in dieser Publikation sind geschützt. Für Zitate und Bezugnahmen direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien übernimmt der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität. © Verlag Karl Maria Laufen Oberhausen 2021 www.laufen-online.com

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

3.4 Modellstandort

4 Ergebnisse

4.1 Modellstandort Sulfatverfahren

4.1.1 Datengrundlage

4.1.2 Modellrechnungen

4.2 Stoffflussanalyse

4.2.1 Titanomagnetit

4.2.2 Ilmenit

4.2.3 Apatit

4.2.4 Carnotit

4.2.5 Bauxit

4.2.6 Erdöl und Ölsand

4.2.7 Erdöldestillation

4.2.8 Petrolkoks

4.2.9 Steinkohle

4.2.10 Verbrennungsrückstände fossiler Energierohstoffe

4.2.11 Eisenlegierungen

4.2.12 Ferrovanadium

4.2.13 Titanlegierungen

4.2.14 Katalysatoren in der chemischen Industrie

4.2.15 Katalysatoren in der Erdölindustrie

4.2.16 Katalysatoren zur Schwefelsäureproduktion

4.2.17 Katalysatoren in der Rauchgasentstickung

4.2.18 Bismutvanadatpigmente

4.2.19 Lithium-Ionen-Batterien

4.2.20 Superkondensatoren

4.3 Qualitatives Stoffstrommodell

4.4 Ergebnisse Szenarioanalyse

4.4.1 Deskriptoren

4.4.2 Cross-Impact-Matrix

4.4.3 Szenarienableitung

4.5 Quantitatives Stoffstrommodell

4.5.1 Modell Status-Quo

4.5.2 Modell Trendszenario

4.5.3 Modell Extremszenario A

4.5.4 Modell Extremszenario B

5 Diskussion

6 Ausblick

Literaturverzeichnis

Lebenslauf

Veröffentlichungsliste

Endnoten

Abbildung 1 Geogene Vanadiumreservoire

Abbildung 2 Anthropogene Vanadiumflüsse

Abbildung 3 Globale Vanadiumressourcen und Vanadiumreserven

Abbildung 4 Entwicklung der Vanadiumproduktion

Abbildung 5 Vanadiumproduktion nach Rohstoff

Abbildung 6 Grundlegende Vanadiumverarbeitungsschritte

Abbildung 7 Vanadiumanwendungen und Aufteilung nach Eisenliegerungen

Abbildung 8 Länderkonzentration und Marktvolumen der Bergwerksförderung

Abbildung 9 Länderkonzentration und gewichtetes Länderrisiko der Bergwerksförderung

Abbildung 10 Vanadiumintensität in der Gesamtstahlproduktion

Abbildung 11 Anthropogener Metallkreislauf

Abbildung 12 Entwicklung der Ausfallarbeit 2009 bis 2017

Abbildung 13 Prognosen der zu erwartenden Stromüberschüsse in Deutschland

Abbildung 14 Klassifikation Energiespeichertechnologien

Abbildung 15 Speicherkonzepte in Bezug auf Speicherkapazität und Ausspeicherzeit

Abbildung 16 Redoxreaktion in elektrochemischen Energiespeichern

Abbildung 17 Gesamtreaktion der VRFB-Zelle

Abbildung 18 Funktionsprinzip und Aufbau einer VRFB

Abbildung 19 Prognose des Vanadiumbedarfs und der Speicherkapazität 2020-2030

Abbildung 20 Elektrolytparameter

Abbildung 21 Kostenstruktur des Gesamtsystems einer VRFB

Abbildung 22 Prozessschema Sulfatverfahren

Abbildung 23 Rohstoffe für die Titandioxidproduktion

Abbildung 24 Einordnung der Methoden zur Analyse von Wertschöpfungsketten

Abbildung 25 Untersuchungsaufbau

Abbildung 26 Systemübersicht generisches Stoffstrommodell von Metallen

Abbildung 27 Datengrundlage und Output-Stoffstrommodell

Abbildung 28 Szenariotrichter

Abbildung 29 Hauptschritte des Szenarioprozesses

Abbildung 30 Schema der Cross-Impact-Matrix

Abbildung 31 Schema des Systemgrids

Abbildung 32 Deskriptorrangfolge

Abbildung 33 Vorgehensschema zur Erstellung des Modellstandorts

Abbildung 34 Ergebnisse Modellrechnung weltweit

Abbildung 35 Ergebnisse Modellrechnung Europa

Abbildung 36 Ergebnisse Modellrechnung Deutschland

Abbildung 37 Ergebnisse Modellrechnung Standort

Abbildung 38 Anwendung von vanadiumhaltigem Stahl

Abbildung 39 Industrielle Vanadiumverarbeitungsoptionen

Abbildung 40 Bewertete CIM

Abbildung 41 Ergebnis System-Grid der CIM

Abbildung 42 Stoffstrommodell 2019

Abbildung 43 Stoffstrommodell Trendszenario 2025

Abbildung 44 Stoffstrommodell Extremszenario A 2025

Abbildung 45 Stoffstrommodell Extremszenario B 2025

Tabelle 1: Vanadiumminerale

Tabelle 2: Geogene Vanadiumprimärrohstoffe

Tabelle 3: Vanadiumproduktion 2019 nach Ländern

Tabelle 4: Vanadiumproduktion und Verbrauch 2019

Tabelle 5: Anthropogene Vanadiumsekundärrohstoffe

Tabelle 6: Verschiedene RFB-Typen und Eigenschaften

Tabelle 7: Vergleich elektrochemischer Speichertechnologien

Tabelle 8: Auswertung Speicherkapazität in VRFB

Tabelle 9: Produktionskapazität Titandioxidindustrie 2019

Tabelle 10: Nebenprodukte des Sulfatverfahrens