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

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.

Methodisch basiert die Arbeit auf der Durchführung einer literaturbasierten Stoffstromanalyse und dem daraus abgeleiteten qualitativen und quantitativen Stoffstrommodell in Verbindung mit einer Szenarioanalyse. Dafür werden Daten verschiedener Gewinnungs- und Aufbereitungsverfahren der industriellen Nutzung von vanadiumhaltigen Materialien ausgewertet und mit Hilfe der Modellierungssoftware STAN (subSTance flow ANalysis) 1(vgl. Kapitel 3.2) abgebildet. In der Szenarioanalyse werden dazu Faktoren identifiziert und Deskriptoren aufgestellt, welche die zukünftige Entwicklung der Nutzung von Vanadium in den verschiedenen Wertschöpfungsketten beeinflussen können. Weiterhin wird ein Modell des theoretischen Potenzials des Sulfatverfahrens zur Gewinnung von Vanadium als Nebenprodukt aufgestellt. Das Vorgehen besitzt generischen Charakter und ist prinzipiell auf jedes Element des Periodensystems übertragbar, um den Einfluss technologischer Innovationen auf Stoffströme abzuleiten.

In Kapitel 2wird ein Überblick über den betrachteten Stoff Vanadium sowie über die Vanadium-Redox-Flow-Batteriespeicher gegeben. Weiterhin werden die Grundlagen zum Thema des Stoffstrommanagements und der verfahrenstechnische sowie rohstoffliche Hintergrund des Sulfatverfahrens als potenzieller neuer Stoffstrom zur Vanadiumgewinnung dargestellt. Kapitel 3definiert den methodischen Rahmen. Der zu betrachtende Stoff Vanadium wird in Kapitel 4.2auf die notwendigen Daten und Informationen für das Stoffstrommodell analysiert und eine Wissensbasis erstellt. Auf Grundlage von Kapitel 2und den erarbeiteten Informationen aus Kapitel 4.2werden diese in Kapitel 4.3abstrahiert und in das qualitative Stoffstrommodell überführt. Zudem werden in Kapitel 4.4Szenarien entwickelt, die in Kapitel 4.5im Stoffstrommodell abgebildet werden. Die Auswirkungen der identifizierten Szenarien auf das Stoffstrommodell von Vanadium werden im Anschluss in Kapitel 5diskutiert. Kapitel 6bietet eine Zusammenfassung der durchgeführten Arbeitsschritte sowie Einschätzungen zum Übertragbarkeitspotenzial und gibt einen Ausblick auf den weiteren Forschungsbedarf.

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