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Elektrochemischer Prozess
Ein elektrochemischer Prozess ermöglicht die Umwandlung einer Substanz in eine andere mit höherem Mehrwert. Dieser elektrochemische Prozess unterscheidet sich von einem chemischen dadurch, dass anstelle chemischer Reagenzien der elektrische Strom verwendet wird, um die gewünschte Transformation zu erreichen. Die Reaktion findet in einer elektrochemischen Zelle statt, die manchmal auch als Reaktor bezeichnet wird und in welcher das zu transformierende Substrat eingeführt wird. Das Substrat ist in der Regel in einer Flüssigkeit gelöst, welches den elektrischen Strom leiten kann: der Elektrolyt. In dieser Flüssigkeit ermöglicht der elektrische Stromkreis das Ein- und Ausfahren des Stroms mittels zwei Elektroden. Ein elektrochemischer Prozess ermöglicht zwei Arten von Reaktionen: Oxidationen, die Elektronen aus dem zu transformierenden Substrat entfernen und Reduktionen, die darin bestehen, Elektronen zum Substrat zu bringen.
Aus industrieller Sicht ist die Vermeidung der Verwendung chemischer Reagenzien ein unbestreitbarer Vorteil aus Sicht des betrieblichen Komforts und aus Sicht der Sicherheit. Tatsächlich gibt es keinen Transport, keine Lagerung und keinen Umgang mit Chemikalien außerhalb des zu verarbeitenden Stoffes und seiner Verarbeitungsprodukte mehr. Wirtschaftlich gesehen sind Elektronen als Redoxmittel viel attraktiver/interessanter als chemische Reagenzien.
Wegen Umweltbelastungen im Gebiet der chemischen Industrie wird die Umsetzung elektrochemischer Prozesse gefördert, da deren Umwandlung ohne toxische Reagenzien stattfindet und ein kleineres, allgemeineres Risiko als bei anderen chemischen Prozessen besteht. Andererseits sind die Prozesse und die Technologie der elektrochemischen Reaktoren komplexer, was zu höheren Investitionskosten führen kann als mit chemischen Reaktoren. Der von RedElec Technology SA entwickelte elektrochemische Reaktor verwendet jedoch eine einfache Konfiguration und kostengünstige Materialien. Darüber hinaus ermöglichen die Eigenschaften des Materials, aus dem die Elektrode besteht, eine präzise Steuerung des Transformationsprozesses über einen langen Zeitraum.
Umweltwert
Um den Umweltwert des elektrochemischen Prozesses zu demonstrieren, ist es notwendig, die Energieeffizienz und die Reduzierung von Treibhausgasen sowie andere Indikatoren zu berücksichtigen. Dazu wird die ökologische Bewertungsmethode verwendet. Es ermöglicht uns, die Auswirkungen von Stoff- und Energieströmen auf die Umwelt zu analysieren. Im folgenden Beispiel werden die Umweltauswirkungen des von RedElec vorgeschlagenen elektrochemischen Verfahren mit dem traditionellen chemischen Verfahren zur Herstellung eines Farbbades für die Denimindustrie verglichen.
Die Studie wurde mit der Ecoinvent-Datenbank durchgeführt. Ecoinvent ist weltweit führend in wissenschaftlichen Daten für Ökobilanzen. Die unterschiedlichen Merkmalswerte der benutzen Produkte wurden von verschiedenen Institutionen nach den Qualitätsrichtlinien von Ecoinvent erhoben. Diese Daten ermöglichen es, den elektrochemischen mit dem herkömmlichen chemischen Prozess zu vergleichen. Die verschiedenen Bewertungsmethoden sind: der kumulative Energiebedarf, die Öko-Punkte und die Öko-Indikatoren 99.
Die Analysenmethode durch den kumulativen Energiebedarf ermöglicht es, die Gesamtmenge der Primärenergie zu berechnen, die bei der Herstellung eines Produkts verbraucht wird. In diesem Fall ist das hier hergestellte Produkt ein Kolorationsbad für die Denimindustrie, dass nach der elektrochemischen Methode der RedElec Technology SA oder nach der traditionellen chemischen Methode hergestellt wird.
Wie in der folgenden Tabelle dargestellt, ist der kumulierte Energiebedarf bei der elektrochemischen Methode fünfmal niedriger als bei der chemischen Methode.
Eco-Point ist eine Methode, die alle Auswirkungsfaktoren abwägt. Je nach Schweizer Umweltzielen werden Punkte für jede Freigabe oder jeden Verbrauch vergeben. Ziel ist es, eine einzelne Punktzahl zu erreichen, die die gesamten Einwirkungen eines Prozesses auf die Umwelt definiert. Nach dieser Bewertungsmethode sind die Umweltauswirkungen des elektrochemischen Prozesses zehnmal geringer als die des chemischen Prozesses.
Eine weitere, international gebräuchliche Bewertungsmethode ist die Öko-Indikatoren 99-Methodik. Hier wird jeder Konsum oder Abfallstrom in Bezug auf dessen Beitrag zu einem möglichen Umweltproblem übersetzt. Diese Methode, die auf Anfrage des niederländischen Umweltministeriums (VROM) entwickelt wurde, wird sehr häufig für die Untersuchung des Lebenszyklus eines Produkts verwendet.
Im Gegensatz dazu bewertet die Eco-Points-Methode, die Menge der mit der Ökosphäre ausgetauschten elementaren Ströme. Somit bewerten Eco-Indikatoren 99 die Auswirkungen eines Produkts oder Prozesses auf jede Wirkungskategorie.
In diesem Beispiel weist die Methode auf eine Abnahme der globalen Umwelteinwirkungen hin. Die Ergebnisse zeigten, dass die Abnahme 10-mal grösser mit einem elektrochemischen Prozess ist verglichen zum herkömmlichen chemischen Prozess.