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

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

Kontaktadresse

Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik

UMSICHT

Osterfelder Str. 3

46047 Oberhausen

D 294

Zugl.: Bochum, Univ. Diss., 2020

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ISBN E-Book epub 978-3-87468-438-5

ISBN E-Book mobi 978-3-87468-439-2

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© Verlag Karl Maria Laufen

Oberhausen 2021

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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 Redox-Flow-Batteriespeichern. Die Dissertation betrachtet die Gewinnung eines Vanadiumelektrolyten aus dem bei der Titandioxidproduktion mittels Sulfatverfahren anfallenden Filtersalzes des Dünnsäurerecyclings. Auf Grundlage der Arbeitshypothese der Marktverfügbarkeit wird die technologische Innovation mittels eines qualitativen und eines quantitativen Stoffstrommodells, einer Szenarioanalyse und eines fiktiven Modellstandorts der Titandioxidproduktion auf seinen Einfluss auf das anthropogene Vanadiumstoffstromsystem untersucht. Die Szenario- und Stoffstromanalyse identifiziert den Stoffstrom und das Gewinnungsverfahren als Verbreiterung der Rohstoffbasis, die zur Deckung des VRFB-Speicherbedarfs beitragen kann, ohne Zielkonflikte mit bestehenden Vanadium-Anwendungen hervorzurufen.

Fraunhofer UMSICHT ist Wegbereiter einer nachhaltigen Energie- und Rohstoffwirtschaft durch den Transfer wissenschaftlicher Erkenntnisse in Unternehmen, Gesellschaft und Politik. Wir erforschen und entwickeln gemeinsam mit Partnern nachhaltige Produkte, Prozesse und Dienstleistungen. In unseren Projekten fragen wir uns: Wie können wir Klima und Umwelt schützen? Wie schonen wir Ressourcen? Wie verbessern wir Prozesse oder Produkte? Wir überlegen, was sich verändern muss und was wir dafür tun können. Wir schätzen Kosten ab, beraten und zeigen Lösungen auf.

Als eins von 74 Instituten und Forschungseinrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft, der führenden Organisation für angewandte Forschung in Europa, sind wir weltweit vernetzt und fördern die internationale Zusammenarbeit.

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

Dissertation

zur

Erlangung des Grades

Doktor-Ingenieur

der

Fakultät für Maschinenbau

der Ruhr-Universität Bochum

von

M.Sc. Jochen Nühlen

aus Duisburg

Bochum 2020

Danksagung

Die vorliegende Dissertation entstand berufsbegleitend während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen. Die Anfertigung dieser Arbeit zwischen Mai 2017 und Mai 2020 wäre ohne die Unterstützung der mich betreuenden Professoren und meiner Kolleginnen und Kollegen bei Fraunhofer UMSICHT nicht möglich gewesen.

Mein Dank für die fachlichen Diskussionen und die Betreuung gilt dabei in erster Linie meinem Institutsleiter und Erstgutachter Prof. Dr.-Ing. Eckhard Weidner, Lehrstuhlinhaber für Verfahrenstechnische Transportprozesse an der Ruhr-Universität Bochum. Ebenso gilt mein Dank Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Deike, Inhaber des Lehrstuhls für Metallurgie der Eisen- und Stahlerzeugung an der Universität Duisburg-Essen für seine Unterstützung und die Übernahme des Zweitgutachtens.

Insbesondere danke ich Dr.-Ing. Markus Hiebel und Simone Krause für die Schaffung der benötigten Freiräume bei der Erstellung dieser Arbeit neben dem Beruf, die fachliche und organisatorische Hilfe und vielen motivierenden Ratschläge und Gespräche. Dr. Maurits van den Berg danke ich herzlich für den konstruktiven fachlichen Austausch und die Diskussionen im Bereich der Titandioxidproduktion. Kerstin Hölscher danke ich für Ihre Unterstützung durch die Übernahme des Lektorats.

Gedankt sei vor allem auch Dr.-Ing. Asja Mrotzek-Blöß, Dr.-Ing. Heiko Lohmann und Dr.-Ing. Nils Thonemann, die mir sowohl mit ihrem Fachwissen als auch mit ihrem freundschaftlichem Rat sowie Hingabe zur geistigen Zerstreuung zur Seite standen. Ebenso danke ich Daniel Norgren.

Nicht unerwähnt bleiben sollen die Studierenden, die diese Arbeit in unterschiedlichen Zeitabschnitten unterstützt haben: Svenja Dobbert, Kerstin Hagemann, Dennis Emil Tauschnik, Simon Philipp Küppers, Andreas Eiben, Namican Tüleyli und Stefan Wilms.

Mein größter Dank gilt meinen Eltern und vor allem meiner Frau Dana. Ihr Vertrauen, ihre Geduld und ihr Zuspruch haben mich immer begleitet und mir dabei geholfen, den Blick auf das Wesentliche nicht zu verlieren.

Münster, Sommer 2020

Kurzfassung

Die potenziellen Auswirkungen technologischer Innovationen auf bestehende und entstehende neue Stoffströme müssen bereits in der Entwicklungsphase erfasst sowie qualitativ und quantitativ bewertet werden. Die in der Dissertation betrachtete technologische Innovation ist die Gewinnung eines Vanadiumelektrolyten aus dem bei der Titandioxidproduktion mittels Sulfatverfahren anfallenden Filtersalzes des Dünnsäurerecyclings. Eine Stoffflussanalyse in Kombination mit einer Szenarioanalyse liefert notwendige Erkenntnisse, um eine erfolgreiche und dauerhafte 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

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

Abbildungsverzeichnis

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

Tabellenverzeichnis

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

Tabelle 11: Typisierung von MFA

Tabelle 12: SFA mit Vanadiumbezug

Tabelle 13: Schema der Deskriptoren und zugehöriger Entwicklungsvarianten

Tabelle 14: Skala zur Bewertung der Entwicklungsvarianten

Tabelle 15: Felder des System-Grids

Tabelle 16: Datenbasis Standortebene

Tabelle 17: Ergebnis Modellrechnung weltweit

Tabelle 18: Ergebnis Modellrechnung Europa

Tabelle 19: Ergebnis Modellrechnung Deutschland

Tabelle 20: Ergebnis Modellrechnung Standort

Tabelle 21: Cracking-Verfahren in der Erdölindustrie

Tabelle 22: Übersicht zu Vanadiumkatalysatoren

Tabelle 23: Deskriptoren und deren Entwicklungsvarianten

Tabelle 24: Bewertung des System-Grids

Tabelle 25: Ergebnisszenarien

Tabelle 26: Hintergrund Annahmen Trendszenario 2025

Tabelle 27: Beitrag der Vanadiumgewinnung aus Filtersalz

Tabelle 28: Einordnung der Stoffstrommodelle zur Rohstoffversorgung von VRFB

Abkürzungsverzeichnis