Einsatz eines Vanadiumelektrolyts auf Basis von Sekundärrohstoffen in Redox-Flow-Batteriespeichersystemen

Das Energiesystem der Zukunft benötigt Speichersysteme – doch auch diese benötigen Rohstoffe. Das BMBF-Projekt „VAFLOW®“ verknüpft Energie- und Rohstoffwende durch die Entwicklung von Aufbereitungsverfahren vanadiumhaltiger Reststoffe zum Einsatz in Redox-Flow-Batteriespeichersystemen. Das Projekt wird im Rahmen der Fördermaßnahme „r4 – Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe“ im Rahmenprogramm „Forschung für nachhaltige Entwicklung (FONA)“ gefördert.

Ziel ist es, industrielle vanadiumhaltige Reststoffe und Nebenprodukte pyro- und hydrometallurgisch zu einem qualitativ gleichwertigen und qualitätsgesicherten Vanadiumelektrolyt aufzubereiten. Dieser Elektrolyt soll künftig zum Einsatz in Redox-Flow-Batteriespeichern genutzt werden, um die Importabhängigkeit einer der Schlüsselkomponenten dieser Speichertechnologie zu reduzieren. Die besondere technologische und wissenschaftliche Herausforderung besteht darin, den nur in geringer Konzentration enthaltenen Rohstoff Vanadium ökonomisch zurückzugewinnen, zu einem hochwertigen Elektrolyt aufzubereiten und tragfähige Geschäftsmodelle zu entwickeln.

Das Projekt wird koordiniert durch das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT und gemeinsam mit den Partnern dem Institut für Nichteisen-Metallurgie und Reinststoffe an der TU Bergakademie Freiberg, der Nickelhütte Aue GmbH sowie der CMS Green Energy GmbH bearbeitet. Der Verbund bildet die gesamte Wertschöpfungskette ab: Über die Identifizierung und Charakterisierung relevanter Reststoffströme, die metallurgische Entwicklung einer passgenauen Produktanwendung, Tests in einem der modernsten Batterietestlabors bis hin zur Erarbeitung von tragfähigen Vermarktungs- und Geschäftsmodellen. Dabei wird der Verbund von weiteren assoziierten Partnern aus der Industrie projektbegleitend unterstützt.

Das Konsortium will die Herstellung eines sekundärrohstoffbasierten Vanadium-Elektrolyten durch die Kombination von hydro- und pyrometallurgischen Verfahren mit direkter Anwendung und Prüfung in realen Redox-Flow-Zellen realisieren. Der Vorteil des Lösungswegs ist die direkte Zusammenarbeit von Batterieentwicklung und Nicht-Eisenmetallurgie, wodurch abstrakte „Black-Box“-Modelle vermieden werden und eine hohe Anwendungsnähe bereits in der Entwicklung erreicht wird. Zwischen den Teilprojekten gibt es einen dauerhaften Austausch der Ergebnisse, der projektbegleitend eine kontinuierliche Verbesserung und Abstimmung aller Prozessschritte untereinander sicherstellt. Durch die Verbundpartner werden die Kompetenzen entlang der Wertschöpfungskette vereint.

Die Zusammensetzung industrieller Sekundärrohstoffe und der enthaltene Vanadium- und sonstige Wertstoffgehalt sind stark abhängig von Standort und Produktionsprozess. Ziel des TP 1 ist daher die Stoffstromanalyse sekundärer, heimischer Vanadiumquellen, um eine möglichst breite stoffliche Basis für die angestrebte Produktion eines Vanadiumelektrolyts aus Sekundärrohstoffen bereitzustellen.

Im TP 2 werden im Labormaßstab hydro- und pyrometallurgische Verfahren für eine Aufbereitung und Weiterverarbeitung der Vanadium-Reststoffe geprüft und durchgeführt. Weiterhin werden Mindestanforderungen für die metallurgische Aufbereitung der Vanadium-haltigen Reststoffe festgelegt. Diese Festlegung erfolgt auch vor dem Hintergrund der endgültigen Anforderungen an einen Elektrolyten, insbesondere für den Bereich der akzeptablen Begleit- bzw. Störstoffe.

Im TP 3 werden die im Labor erarbeiteten Vorzugsvarianten auf ihre großtechnische Umsetzbarkeit geprüft. Im Technikumsmaßstab (u. a. Röst-, Schmelz- und Drehrohrofen, Aufschluss- und Extraktionsanlagen, Hydrometallurgie-Technikum) wird die technische Produktion eines Vanadium-Elektrolyten aus Reststoffen exemplarisch entwickelt und getestet.

Das TP 4 umfasst Zyklentests im Batterielabor um die Qualität des Elektrolyten bewerten zu können. Dies geschieht mittels kleiner Testzellen aber auch Teststand von 0,5 bis 5 kW. Eingeschlossen sind auch Referenzmessungen mit handelsüblichen Elektrolyten um ein Benchmarking des entwickelten Vanadium-Elektrolyten auf Sekundärrohstoffbasis durchzuführen.

Die Ergebnisse der vorangegangenen Arbeitspakete fließen in TP 5 zusammen. Hier werden sowohl Geschäftsmodelle als auch Verwertungsstrategien vom Vanadium-Reststoff bis zum Vanadium-Elektrolyt und des Einsatzes in Redox-Flow-Batterien entwickelt und ökologisch und ökonomisch bewertet.

Quellen:

https://vaflow.de/index.php/projektziele/ (jüngster Zugriff: 07.02.2018)

https://vaflow.de/index.php/projektstruktur-2/ (jüngster Zugriff: 07.02.2018)