Vor fast 200 Jahren entdeckte der Schwede Nils Gabriel Sefström ein neues Element. Inspiriert von der Farbenpracht seiner chemischen Verbindungen nannte er es „Vanadium“, nach der skandinavischen Göttin der Schönheit Vanadís (Freyja). Heute werden die nach eigenen Angaben reinsten Vanadiumverbindungen der Welt im industriellen Maßstab von der Firma U.S. Vanadium hergestellt.
U.S. Vanadium in Arkansas, USA, ist einer der führenden Anbieter bei der Herstellung von Vanadiumverbindungen. Vanadiumlegierter Stahl wird eingesetzt in Brücken, Gebäuden, Autoteilen, in der Luft- und Raumfahrt sowie in Schiffen, Pipelines und in vielen anderen Bereichen. Die dadurch mögliche Leichtbauweise kann einen wichtigen Beitrag dazu leisten, diese Bereiche ressourcenschonender und effizienter zu machen.
Komponente für Energiewende
Bekannt ist U.S. Vanadium vor allem für die von ihr hergestellten Verbindungen Vanadiumpentoxid (V2O5) und Vanadiumtrioxid (V2O3). Eingesetzt werden diese superreinen Verbindungen in Spezialanwendungen wie etwa in Farbstoffen, Speziallegierungen oder als Katalysator bei der Schwefelsäure-Produktion.
Vor allem die Energiewende befeuert aktuell die Nachfrage, denn extrem reine Vanadiumoxide sind die entscheidende Grundkomponente für den Betrieb sogenannter Vanadium-Redox-Flow-Batterien, mit denen sich Energie im großen Maßstab nachhaltig und ressourcenschonend speichern lässt. Denn Vanadium-Redox-Flow-Batterien sind als Energiespeicher nahezu grenzenlos skalierbar und verfügen über eine hohe Lebensdauer mit 15.000 bis 20.000 Lade- und Entladezyklen.
Präzisionsarbeit in der Produktion
Als Grundstoff für die Herstellung der Vanadiumoxide dienen verschiedene industrielle Abfallstoffe, beispielsweise Schlacke aus der Stahlindustrie. Diese wird fein gemahlen und mit Natriumsalzen oxidiert, wodurch wasserlösliche Verbindungen aus Natrium und Vanadium entstehen. Um diese mit maximaler Effizienz aus der Schlacke auszulaugen, wird die Suspension auf exakt 95 °C erhitzt.
Bei diesem kontinuierlich ablaufenden Prozess kam es in der Vergangenheit immer wieder zu Temperaturschwankungen. Aufgrund der permanent zugeführten und sich ändernden Eingangsmengen ist es schwierig, die optimale Temperatur der Suspension von 95 °C exakt zu erreichen und zu halten. Zur Lösung dieser Aufgabenstellung und zur Steigerung der Effizienz hat U.S. Vanadium an zentraler Stelle im Prozess eines der ersten in den USA hergestellten Flansch-Gleitschieberventile Typ 8621 von Schubert & Salzer getestet – mit Erfolg.
„Die Inbetriebnahme des Ventils hätte nicht einfacher sein können“, sagt Ben Davis, Prozessingenieur und Projektleiter bei U.S. Vanadium. „Der Stellungsregler ist selbsteinstellend. Sobald die Anschlüsse für die Zuluft und die Stromversorgung hergestellt sind, muss nur noch die Selbstjustierung eingeleitet werden. Die Gleitschieberkonstruktion des Ventils macht die Installation zu einem Klacks, da ein kleinerer Stellantrieb zur Steuerung des Ventils ausreicht, wodurch die Gesamtgröße kompakter wird.“
Bessere Prozesssteuerung durch Ventile
Die Vorteile ergeben sich aus dem physikalischen Grundprinzip, auf dem die Gleitschieberventile basieren. Zwei senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnete, geschlitzte Dichtscheiben werden aufeinander verschoben. Der Antrieb muss lediglich die Gleitreibung zwischen den beiden Scheiben über einen Ventilhub von 6 bis 9 mm überwinden. Die benötigte Stellkraft ist bis zu 90 Prozent geringer als bei anderen Ventilbauarten, weshalb es möglich ist, deutlich kleinere Antriebe zu verwenden. Trotz gleicher Baulänge sind die Gleitschieberventile des Typs 8621 deshalb kompakter konstruiert und sollen sich einfacher handhaben lassen als vergleichbare Sitzkegelventile.
„Der kleinere Antrieb ist auch im Hinblick auf die Energiekosten von Vorteil“, erklärt Davis. „Durch den kürzeren Hub und die geringere Kraft, die zum Absperren und Regeln des Ventils erforderlich ist, wird weniger Luft benötigt. Wir haben dieses Ventil in einer Dampfleitung installiert, die zum Beheizen der Suspension in einem rund 50.000 Gallonen fassenden Tank (entspricht rund 190.000 l) verwendet wird, in dem wir Vanadium auslaugen. Dabei handelt es sich um einen kontinuierlichen Prozess, bei dem 100 bis 140 Gallonen (etwa 400 bis 550 l) kalte Suspension pro Minute zugeführt und die gleiche Menge abgezogen wird. Die Suspension im Tank wird dabei auf 95 °C Temperatur gehalten.“
Gute Aussichten für die Energiewende
Schon nach kurzer Zeit war klar, dass sich der Austausch des zuvor installierten Sitzkegelventils gegen ein Gleitschieberventil vorteilhaft auf den Prozess auswirkte und somit die Effizienz der Vanadiumoxidherstellung verbessert werden konnte. „Mit dem neuen Ventil können wir den Prozess besser steuern, sodass wir die benötigte Wärmeenergie für die ankommende kalte Suspension anpassen können, was die Temperaturschwankungen reduziert“, sagt Davis.
Die Umstellung leistet somit einen Beitrag im Bestreben von U.S. Vanadium, die Effizienz des Herstellungsprozesses zu steigern und Betriebskosten zu senken. Direkt angrenzend an die verbesserte Anlage zur Gewinnung der Vanadiumoxide wurde nun eine neue Anlage zur Herstellung der Elektrolyte für Vanadium-Redox-Flow-Batterien in Betrieb genommen. U.S. Vanadium deckt damit nun die gesamte Lieferkette für ultrareine Vanadium-Elektrolyte ab.
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