Wie beim Handy verliert auch der Akku eines E-Autos mit der Zeit an Kapazität. Jedoch kann der Stromspeicher in einem anderen Einsatz noch ein zweites Leben führen vor dem Recycling. Gastautor Bernward Janzing beleuchtet den Stand der Technik und die wirtschaftliche Praxis.

 

Aktuell spricht der ADAC von etwa 1500 bis 2500 Ladezyklen, dann ist die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus auf 70 bis 80 Prozent seines ursprünglichen Wertes gesunken. Der Speicher ist damit nach vorherrschender Meinung am Ende. Bei einem vollen Ladezyklus an jedem Werktag ist es also nach rund acht Jahren so weit, bei geringerer Ladehäufigkeit oder nur täglichen Teilzyklen entsprechend später.

 

Batterien: „Second Life“ im Stromnetz

Einen funktionstüchtigen, wenngleich geschwächten Akku direkt zu entsorgen wäre ökonomisch wie ökologisch nicht sinnvoll. Also schiebt man idealerweise noch eine Phase ein, die man heute „Second Life“ nennt. Weil nämlich der Kapazitätsverlust beim stationären Einsatz – etwa im Stromnetz – weniger relevant ist als im Fahrzeug, können dort auch geschwächte Batterien noch gute Dienste leisten. Zumal sie dort oft schonender betrieben werden können als im Auto, wo sie oft abrupt zwischen Stromabgabe und Rückspeicherung (Rekuperation beim Bremsen) wechseln müssen.

„Das ‚zweite Leben‘ von Akkus kann noch zehn bis zwölf Jahre währen“, ADAC

Im Labor habe sich gezeigt, so der ADAC, dass das „zweite Leben“ noch zehn bis zwölf Jahre währen könne. Der Automobilverband schlussfolgert daher: „Ein Akku wird bei durchschnittlicher Beanspruchung erst nach über 20 Jahren ein Fall für die Entsorgung sein.“

Ein Fall für das Batterie-Recycling ist ein ausgemusterter Akku erst nach über 20 Jahren.

Laut ADAC ist der Akku eines E-Autos erst nach über 20 Jahren ein Fall für die Entsorgung. Im Bild: eine Lithium-Ionen-Batterie eines Twingo Electric. Bild: Renault Presse

 

Fahrzeug-Akkus als Speicher für eine PV-Anlage?

Allerdings ist noch schwer abschätzbar, in welchem Maße sich in der Praxis tatsächlich eine zweite Nutzungsphase anschließen wird. Denn es gibt speziell beim dezentralen Einsatz auch Hemmnisse. Ein Beispiel: Ein Autofahrer möchte seinen alten Fahrzeug-Akku eines Tages als Hausspeicher nutzen. Der wäre damit sogar üppig dimensioniert: Heutige Speicher, die oft im Paket mit einer Photovoltaikanlage verkauft werden, fassen selten mehr als 10 Kilowattstunden, ein Auto-Akku unterdessen kommt im Mittel auf rund 40 Kilowattstunden.

 

Vor allem, wenn man eine Solarstromanlage besitzt, die bald altersbedingt aus der gesetzlichen Vergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) fällt, liegt die Idee nahe, die alte Traktionsbatterie als Speicher für Solarstrom zu verwenden, um den Eigenverbrauch zu steigern. Doch in der Praxis dürften die Schwierigkeiten, die Batterie in die Hauselektrik einzubinden manches Projekt ebenso hemmen, wie Befürchtungen wegen der Sicherheit der gealterten Zellen.

 

Einsatz von alten Akkus: Industrie, Fährterminal und Wohngebiet

In großtechnischem Einsatz lassen sich solche Herausforderungen besser meistern. Entsprechende Pilotprojekte gibt es daher schon. BMW hat an seinem Werk in Leipzig, wo der BMW i3 gebaut wird, einen stationären Speicher errichtet, der aus 700 Akkus des i3 besteht; ein Teil davon ist gebraucht. So will das Unternehmen den selbst erzeugten Solar- und Windstrom optimal in der Produktion einsetzen. Ein anderes Beispiel ist das Fährterminal im Hamburger Hafen, wo ebenfalls Akkus des i3, zusammen zwei Megawatt stark, Schwankungen im Netz der Stadt ausgleichen.

Unterdessen hat auch Renault ein neues Projekt im Süden Englands angekündigt: ein Energiespeichersystem, das Strom für Wohnungen, Verkehr und Geschäfte liefert. Dort speichern 1.000 Second-Life-Batterien aus Renault-Fahrzeugen 14,5 Megawattstunden Strom – genug, um etwa 1.700 Haushalte einen Tag lang zu versorgen.

Second Life für Batterien: Der Batteriespeicher im BMW Werk in Leipzig besteht aus 700 Akkus des i3.

Bild: BMW errichtete in seinem Werk in Leipzig einen stationären Speicher, der aus 700 Akkus des i3 besteht. Bild: BMW Group Presse/Christoph Busse

 

Viele Einsatzmöglichkeiten für Stromspeicher

Gründe für Stromspeicher kann es also viele geben. Man kann damit den Eigenverbrauch regenerativ erzeugten Stroms erhöhen. Man kann sie zum Ausgleich von unerwarteten Schwankungen der Erzeugung und des Verbrauchs (für das sogenannte Bilanzkreismanagement) nutzen. Oder man nutzt sie zum Abpuffern von Spitzen im Netz – zum Beispiel, wenn man in schwachen Stromnetzen leistungsstarke Stromtankstellen platzieren will. In einem solchen Fall ist es manchmal günstiger, einen Speicher („Power-Booster“) zu installieren, als das Netz auszubauen um die gewünschte Ladeleistung kurzfristig liefern zu können.

 

Am Ende aber macht auch der „Second-Life-Ansatz“ eines niemals überflüssig: ein Recyclingsystem für Batteriezellen. Denn irgendwann sind die chemischen Speicher auch für den stationären Zweck nicht mehr tauglich. Spätestens dann müssen sie zerlegt werden.

 

EU überarbeitet Richtlinien für das Batterie-Recycling

Die formalen Regelungen zu diesem Thema sind jedoch schon ziemlich alt. In der EU ist die Verwertung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) aus Altfahrzeugen durch die Richtlinien 2000/53/EC und 2006/66/EC geregelt – somit auf dem Stand von 2006. Die Mitgliedsstaaten müssen seit 2016 für LIB einen Recyclinganteil von 50 Prozent des durchschnittlichen Gewichts erzielen – was jedoch noch nichts darüber aussagt, in welchem Maße die jeweiligen metallischen Rohstoffe zurückgewonnen werden. Deswegen wird die EU-Richtlinie derzeit überarbeitet. Ein neuer Entwurf wird für den November aus der EU-Kommission erwartet. Er dürfte Quoten für die Verwertung speziell der Metalle enthalten.

 

Batterie-Recycling: Was kann recycelt werden?

Aber um welche Stoffe geht es überhaupt? Die Zusammensetzung der LIB für Elektrofahrzeuge ist unterschiedlich. Anfangs wurden als Kathodenmaterialien oft Mischungen aus NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid) und LMO (Lithium-Mangan-Oxid) verwendet. Heute dominieren in Europa NMC-Zellen den Markt, gefolgt von NCA-Zellen (Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid). Für die Anode wird Graphit verwendet, der Elektrolyt besteht aus organischen Lösungsmitteln und einem fluorhaltigen Leitsalz.

„In Batterien wird sich der Gewichtsanteil von Lithium nicht wesentlich verringern lassen. Während sich der Anteil von Kobalt sehr wahrscheinlich drastisch reduzieren lassen wird“, ISI

Nach Zahlen des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) in Karlsruhe liegt der Gewichtsanteil von Lithium in Hochenergie-Batterien bei etwa 72 Gramm Lithium je Kilogramm Zelle. Er werde sich „nicht wesentlich verringern lassen“. Anders sieht es beim Kobalt aus, dessen Gewichtsanteil sich „sehr wahrscheinlich drastisch reduzieren“ lasse – von 200 Gramm je Kilogramm Zelle auf 60 Gramm. Bei der Kobalt-Nachfrage sei daher „längerfristig ein Rückgang zu erwarten“.

 

Rückgewinnen von Inhaltsstoffen ist noch nicht wirtschaftlich

Die Recyclingverfahren konzentrieren sich heute vor allem auf die Rückgewinnung von Kupfer-, Nickel- und Kobaltverbindungen, was technisch zu einem hohen Anteil bereits gelingt. Die Rückgewinnung von Lithium hingegen sei „bislang noch in den wenigsten Verfahren realisiert, beziehungsweise befindet sich im Forschungs- und Entwicklungsstadium“ schreibt das Öko-Institut in einer aktuellen Studie mit dem Titel „Stand und Perspektiven des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus der Elektromobilität“. Was technisch möglich ist, ist aber noch lange nicht auch ökonomisch attraktiv: Schon alleine aufgrund der Logistikkosten ist eine Rückgewinnung noch bei keinem der Inhaltsstoffe bislang wirtschaftlich.

 

Rohstoffabbau unter ökologisch und humanitär fragwürdigen Bedingungen

Der Druck, die Batterien zu recyceln basiert daher primär auf den Risiken für Umwelt und Gesundheit, die von Altbatterien ausgehen können. Hinzu kommt der unter ökologisch wie humanitär fragwürdigen Bedingungen stattfindende Rohstoffabbau, der reduziert werden soll. „Bei der Gewinnung von Lithium aus Salzseen in Chile, Argentinien und Bolivien stellt die Wasserverknappung bei schon bestehender Wasserknappheit die größte Sorge dar“, so das Fraunhofer ISI. Beim Kobalt stammten 60 Prozent aus dem Kongo, davon wiederum 15 bis 20 Prozent aus dem Kleinbergbau. „Aus fehlenden Arbeitsschutzmaßnahmen im Kleinbergbau“, schreibt das ISI, resultierten „unter anderem der direkte Kontakt mit Schwermetallen (insbesondere Uran) im Gestein sowie tödliche Unfälle“. Kinder würden „für leichte Zuarbeiten beim Verkauf, aber auch für schwerste und risikoreiche Arbeiten in Vollzeit eingesetzt“.

 

Druck Recyclingsystem aufzubauen wächst

Entsprechend wächst in Europa der Druck, ein Recyclingsystem für Akkus aufzubauen. Grundsätzlich gibt es nun verschiedene Verfahren. Im ersten Schritt werden zumeist Komponenten wie Gehäuse und Kabel, sowie die Elektronik (Batteriemanagementsystem) manuell entfernt. Für die weitere Behandlung der eigentlichen Batteriemodule gibt es dann im Wesentlichen drei Verfahren: pyrometallurgische, mechanische und pyrolytische.

 

Vier Verfahren für das Batterie-Recycling

Pyrometallurgisch bedeutet, dass die Module bei hoher Temperatur eingeschmolzen werden. Mit diesem Verfahren arbeitet die Batterie-Recyclinganlage von Umicore im belgischen Hoboken. Sie kann bis zu 7000 Tonnen pro Jahr verarbeiten und ist derzeit die größte weltweit. Während Stoffe wie Graphit, Kunststoffe und organische Lösungsmittel aus den Elektrolyten verbrennen, entsteht eine Legierung aus Kupfer, Kobalt und Nickel. Schwierig ist dabei noch die Rückgewinnung von Lithium und Aluminium.

 

Im alternativen Fall der mechanischen Behandlung werden die Zellen in einer Schutzgasatmosphäre (Stickstoff) geschreddert. Das Chemieunternehmen Duesenfeld im niedersächsischen Wendeburg praktiziert dieses Verfahren. Aus dem geschredderten Material lassen sich dann Graphit, Mangan, Nickel, Kobalt und Lithium zurückgewinnen.

 

Beim dritten Verfahren, der pyrolytischen Behandlung, werden durch Erhitzung zunächst die organischen Elektrolyte zersetzt und der fluorhaltige Binder für das Kathoden- und Anodenmaterial zerstört. So wird die nachfolgende mechanische Trennung vereinfacht.

 

Noch einen anderen Weg will unterdessen das Fraunhofer-Institut für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) in Alzenau und Hanau gehen. Die Forscher möchten – statt einzelne Elemente metallurgisch aufzutrennen – vielmehr Funktionsmaterialien, also bereits synthetisierte Verbindungen zurückgewinnen.

 

Kreislaufsystem für Batterierohstoffe entsteht

Zugleich steigt auch in der Industrie die Zahl der Akteure. In dem von der EU geförderten Batterierecycling-Projekt ReLieVe kooperieren das französische Bergbau- und Metallurgie-Unternehmen Eramet, der deutsche Chemiekonzern BASF und der Recycler SUEZ. Ziel ist die Entwicklung eines Kreislaufsystems für Batterierohstoffe. Dazu gehöre, so BASF, „auch die Gestaltung eines integrierten Industriesektors, von der Sammlung von Altbatterien bis zur Herstellung neuer Elektrodenmaterialien“. SUEZ übernimmt dabei die Sammlung und Demontage von Altbatterien, Eramet entwickelt und realisiert das Recyclingverfahren und BASF übernimmt die Herstellung von Kathodenmaterialien.

 

Batterie-Recycling in der Automobilindustrie

Auch die Automobilindustrie hat sich des Themas angenommen. Die Renault-Nissan-Mitsubishi Allianz verweist darauf, sie habe „einen wirtschaftlich tragfähigen Recyclingprozess entwickelt und die erforderliche Infrastruktur aufgebaut, die die Rückführung ausgedienter Batterien in das moderne Recyclingzentrum von Renault im Werk Flins beinhaltet“. Dort würden die Rohstoffe sachgerecht getrennt und wiederverwertet.

„Erst ab Ende der 2020er Jahre wird es zu größeren Mengen an Batterie-Rückläufern kommen“, VW

Nun baut auch der Volkswagen-Konzern in seinem Werk in Salzgitter eine Pilot-Recyclinganlage für Batterien auf. Zunächst könnten 1200 Tonnen pro Jahr verarbeitet werden, was 3000 Fahrzeugbatterien entspricht. Eine weitere Kapazitätserhöhung für die Jahre danach sei „angedacht“, so VW. Denn es werde ohnehin „erst ab Ende der 2020er Jahre zu größeren Mengen an Batterie-Rückläufern kommen“.

 

Batterie-Recycling fördert Unabhängigkeit Europas

Forschung und Entwicklung schreiten also vielfältig voran. Die „strategische Relevanz eines hochwertigen Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien“ sei „gerade in Deutschland sehr früh erkannt“ worden, schreibt das Öko-Institut. Derzeit zielten die Arbeiten auf eine Optimierung der Ausbeute bei den diversen Metallen, sowie auf eine „gezieltere Rückgewinnung von Lithiumverbindungen und gegebenenfalls der Abtrennung und Nutzung von Graphit“.

 

Die Vorstöße hätten, so das Öko-Institut, auch industriepolitische Gründe. So verfolge man das Ziel, die „Abhängigkeit Europas von außereuropäischen Quellen“ zu reduzieren, sowie einen „neuen High-Tech-Zweig der Kreislaufwirtschaft“ aufzubauen – „mit maßgeblichen Impulsen, Innovationen und Investitionen durch Akteure aus Deutschland“.

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