Wie lange hält eine Elektroauto-Batterie? Was passiert bei Entsorgung und Recycling?

Veröffentlicht am 2020, 9. März

Wie lange hält eine Elektroauto-Batterie? Wie lange hält eine Elektroauto-Batterie? Was passiert mit einer Lithium-Ionen-Batterie am Ende ihres Lebenszyklus? Wie wird sie entsorgt? Oder wird sie recycelt?

Der Verkehr hat einen sehr großen Einfluss (14 % laut IPCC) auf die Gesamtmenge der Treibhausgasemissionen, die der Mensch in die Atmosphäre abgibt. Die negativen Auswirkungen der zunehmenden Luftverschmutzung, insbesondere in städtischen Gebieten, werden zunehmend untersucht und diskutiert. Und es besteht die dringende Notwendigkeit, auf globaler Ebene bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen, um die globale Temperatur unter 2ºC zu halten.

Elektrofahrzeuge sind eine sehr wichtige Lösung für die oben genannten Herausforderungen. Seitdem sich die Elektromobilität im Vergleich zu thermischen Fahrzeugen als grünere und umweltfreundlichere Lösung erwiesen hat, ist ihre Nachfrage gestiegen.

Nach dem EV30@30-Szenario der Internationalen Energieagentur könnte der Absatz von Elektrofahrzeugen (EVs) 43 Millionen und der Bestand mehr als 250 Millionen erreichen. Aber vergessen wir nicht die oft ignorierte Seite der so genannten Null-Emissions-Fahrzeuge: ihre Batterien.

Die Auswirkungen von Elektroauto-Batterien: Sind sie schlecht für die Umwelt?

Einer der Hauptkritikpunkte an Elektroautos und Elektrofahrzeugen im Allgemeinen hat mit ihren Batterien zu tun. Diese Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind so etwas wie eine vergrößerte Version der Batterie eines Smartphones. Nur dass Elektrofahrzeuge nicht wie ein Telefon eine einzelne Batterie verwenden. Stattdessen verwenden sie ein Paket aus Tausenden von einzelnen Lithium-Ionen-Zellen, die zusammenarbeiten. Ob in kleinem oder großem Maßstab, diese Batterien haben über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg erhebliche ökologische und soziale Auswirkungen.

Zunächst einmal: die Gewinnung von Seltenen Erden für Elektroauto-Batterien. Betrachtet man zum Beispiel die beiden wichtigsten Arten der Primärproduktion, so braucht man 250 Tonnen des Mineralerzes Spodumen, wenn es abgebaut wird, oder 750 Tonnen mineralhaltige Sole, um eine Tonne Lithium zu gewinnen.

Nach der gleichen Quelle (Harper et. al. 2019) ist der Wasserbedarf für die Verarbeitung des auf diese Weise gewonnenen Lithiums sehr hoch: Für eine Tonne Lithium werden 1.900 Tonnen Wasser benötigt, die durch Verdunstung verbraucht werden. Außerdem müssen die chilenischen Landwirte oft Wasser aus anderen Regionen importieren, da in Chile intensive Bergbaugebiete aktiv sind. Trotz der hohen Umweltkosten stellen die Lithiumvorkommen von der Größe her keine Bedrohung dar. Aber die Kobaltreserven können es sein.

Die Kobaltreserven, deren Nachfrage für die Batterieproduktion bis 2050 etwa 14 % der derzeitigen Kobaltreserven verbrauchen könnte, sind stark auf die Demokratische Republik Kongo konzentriert – eine politisch oft instabile Region. Wenn also einer der Vorteile von Elektrofahrzeugen darin besteht, dass sie die Abhängigkeit von ausländischen Ölimporten verringern, können die Preisschwankungen bei Kobalt auch eine Herausforderung darstellen. Darüber hinaus können auch ethische Fragen im Zusammenhang mit handwerklichen Minen, in denen Kinderarbeit eingesetzt wird, aufgeworfen werden.

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Wie lange halten Elektroauto-Batterien? Werden sie recycelt?

Die oben genannten Auswirkungen helfen zu erklären, warum das Etikett „emissionsfrei“ oft als unfair angesehen wird und irreführend sein kann. Denn auch wenn Elektrofahrzeuge auf der Straße keine Emissionen freisetzen, haben die in ihnen enthaltenen Batterien ihren Anteil an den Auswirkungen. Auch Autos, die von Stromnetzen angetrieben werden, die größtenteils mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, stoßen unterwegs vielleicht keine Emissionen aus, aber die Emissionen sind trotzdem in einem weit entfernten Kraftwerk entstanden.

Abgesehen von den Spitznamen haben Lithium-Ionen-Batterien eine geschätzte Lebensdauer von 15-20 Jahren. Was passiert, wenn eine Batterie nach Hunderten von Lade- und Entladezyklen zu sehr abgenutzt ist, um noch zu fahren? Was geschieht mit den 250.000 Tonnen Abfall, die durch die 1 Million verkaufter Elektrofahrzeuge im Jahr 2017 anfallen werden? Das fragen sich Forscher der Universität Birmingham und jetzt auch der Leser.

Gaines, Forscher am Argonne National Laboratory, schlägt vor, die meisten Batterien entweder auf Deponien zu entsorgen oder auf Halde zu lagern – beides sehr kritikwürdige Lösungen. Die erste Lösung kann den umliegenden Boden und das Grundwasser verunreinigen, die zweite wird kritisiert, da es auf Mülldeponien zu Bränden durch Lithium-Ionen-Batterien (die als Blei-Säure-Batterien verschickt wurden) gekommen ist. Es werden jedoch neue und interessante Auswege für Elektroauto-Batterien gefunden.

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Der gewünschte Lebenszyklus einer Elektroauto-Batterie

Die Forscher der Universität Birmingham sagen, dass die Nettoauswirkungen der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien „beträchtlich reduziert werden können, wenn mehr Materialien aus ausgedienten LIBs zurückgewonnen werden können, und zwar in einer möglichst brauchbaren Form.“ In derselben Studie sprechen sie auch von einer Entsorgungshierarchie und einer Reihe von Recyclingoptionen.

Nach diesem Modell sollten Batterien zunächst so konstruiert werden, dass sie möglichst wenig kritische Materialien verwenden. Anschließend sollten sie wiederverwendet werden, d.h. Elektrofahrzeugbatterien sollten vor dem Recycling eine zweite Verwendung erfahren, wobei die Materialien so weit wie möglich zurückgewonnen werden sollten und der strukturelle Wert und die Qualität einer Batterie erhalten bleiben sollten.

In der anschließenden „Verwertungs“-Phase sollten einige Batteriematerialien als Energie für Prozesse wie z. B. als Brennstoff für die Pyrometallurgie verwendet werden. Der letzte Schritt ist die Beseitigung dessen, was keinen Wert mehr hat, und die Entsorgung auf Deponien. Das heißt, wenn die Batterie eines Elektrofahrzeugs nur noch 70-80 % der Energie im Vergleich zu ihrem ursprünglichen Zustand speichern kann, sollte nicht das Recycling folgen, sondern die Wiederverwendung. Aber wo können die Batterien wiederverwendet werden? Und wie?

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Wo können Elektroauto-Batterien wiederverwendet werden, bevor sie recycelt werden?

Da der Markt für gebrauchte Elektroauto-Batterien zur Energiespeicherung wächst, könnte die Nachfrage das Angebot übersteigen. Dies ist jedoch ein langsames und bis zu einem gewissen Grad unsicheres Wachstum. Und die Gründe dafür sind gleichzeitig einfach und komplex.

Die Wiederverwendung von Batterien, um sie für einen anderen Zweck wie Ladestationen oder stationäre Energiespeicherung (sei es in Fabriken, Wohngebäuden, Krankenhäusern…) wiederzuverwenden, ist der logische Ausweg für eine Batterie, die ein Elektrofahrzeug hinterlässt. Nur ist es nicht so einfach, eine Batterie von einer Seite auf die andere zu bringen.

Bevor Batterien zur Wiederverwendung verschickt werden, müssen Packs, Module und Zellen in Bezug auf die Frage bewertet werden, wie lange sie noch eine Ladung halten können und wie geladen sie im Moment sind. Während der erste Punkt besonders wichtig ist, um festzustellen, ob es sich lohnt, eine Batterie zur Wiederverwendung einzusenden (und für welche Anwendungen), ist die Bewertung der gespeicherten Energie von Bedeutung für die Sicherheit (oder sogar für wirtschaftliche Belange) bei Recyclingprozessen. In beiden Fällen (Wiederverwendung oder Recycling) ist der anschließende Weg recht anspruchsvoll.

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Batterien demontieren: Ein manueller, gefährlicher und teurer Prozess

Was auch immer als nächstes mit einer Batterie geschieht, nach der Bewertung ihrer Ladeeigenschaften muss sie von Hand zerlegt werden – und hier wird es schwierig. Wegen des hohen Gewichts einer Batterie und der hohen Traktionsspannungen braucht man spezielle Isolierwerkzeuge und qualifizierte Mechaniker (an denen es anscheinend mangelt), um sie zu bedienen.

Außerdem weisen einige Studien darauf hin, dass sich in Ländern mit hohen Arbeitskosten die Einnahmen aus den abgebauten Materialien möglicherweise nicht lohnen. Aus all diesen Gründen werden automatisierte Demontagetechniken als mögliche Lösung in die Diskussion eingebracht.

Automatisierung würde den Gefahrenfaktor aus der Gleichung eliminieren und im Laufe ihrer Entwicklung die Kosten senken. Roboter würden auch dazu beitragen, die „mechanische Trennung von Materialien und Komponenten zu verbessern, die Reinheit der getrennten Materialien zu erhöhen und nachgelagerte Trenn- und Recyclingprozesse effizienter zu machen – so Harper et. al.

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Die Demontage von Elektrofahrzeugbatterien ist zu komplex für Roboter

Elektrofahrzeugbatterien sind für Roboter schwer zu knacken. Das liegt daran, dass Automatisierung und Robotik auf sich wiederholenden Aufgaben beruhen und Elektrobatterien schwierige Anforderungen wie Designvielfalt mit sich bringen.

Es gibt verschiedene Lithium-Ionen-Batteriekonzepte, die keinen standardisierten Automatisierungsprozess zulassen. Computer-Vision-Algorithmen zur Erkennung und Unterscheidung verschiedener Batterien, Komponenten und Materialien werden für den Einsatz entwickelt. Damit sie ihre Aufgaben (leichter) erfüllen können, müssen die Hersteller jedoch maschinenlesbare Merkmale wie QR-Codes oder Etiketten oder andere auf die wichtigsten Batterieelemente drucken.

Darüber hinaus bedeutet die Demontage von Batterien beispielsweise das Abschrauben oder den Umgang mit Klebemethoden und Vorrichtungen, die eine starke Beanspruchung von Robotern mit empfindlichen Batteriekomponenten erfordern. Dies führt zu komplizierten Dynamik- und Steuerungsproblemen wie der gleichzeitigen Kraft- und Bewegungssteuerung. Es ist eine komplexe Aufgabe, aber eine, die in der Zukunft wahrscheinlich machbar ist.

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Die letzte Herausforderung bei der Demontage von Batterien für Elektrofahrzeuge: Recycling

Das endgültige Schicksal aller Lithium-Ionen-Batterien sollte das Recycling und nicht die Mülldeponie sein, selbst wenn sie vorher für andere Zwecke als die Energiespeicherung von Elektrofahrzeugen verwendet werden. Dadurch wird die schädliche Verschmutzung von Deponien und die Möglichkeit von Explosionen in aufgestapelten Batterien vermieden. Dank des Wertes der zurückgewonnenen Mineralien und der Vermeidung des ständigen Abbaus von Mineralien kann es auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringen, was die Lieferketten entlastet.

Wenn die Batterien in den Recyclinganlagen ankommen, werden sie entladen und die Materialien, aus denen sie bestehen, aussortiert. So werden Materialien wie Nickel, Kobalt, Mangan oder Kupfer durch Erhitzen und Schreddern aussortiert, andere wie Ferromagnetismus oder Hydrophobie werden aussortiert.

Wenn die Batterien mit einer signifikant gefährlichen Ladung verbleiben, werden sie entweder in einem Inertgas wie Stickstoff oder Kohlendioxid geschreddert oder sie können durch Salzlösungen entladen werden – beides sind Wege, um chemische Reaktionen mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen zu vermeiden.

Die Zukunft von Elektrofahrzeugen und Lithium-Ionen-Batterien

Wie wir gesehen haben, gibt es viele Einschränkungen, die eine Kluft zwischen der Art und Weise, wie Batterien idealerweise behandelt werden sollten, und dem, was tatsächlich mit ihnen geschieht, schaffen. Um die Versorgung mit kritischen Materialien wie Kobalt oder Lithium zu sichern, müssen sie von Mülldeponien ferngehalten werden, aber ihre Demontage ist nach wie vor eine gefährliche und teure Arbeit, die von Hand erledigt werden muss.

Diese Herausforderungen können jedoch mit der Entwicklung besserer Sortiertechnologien, der automatischen Demontage und der intelligenten Trennung verschiedener Batterietypen für unterschiedliche Ströme (Wiederaufbereitung, Wiederverwendung oder Recycling) überwunden werden. Die Optimierung von Batteriedesigns für die Wiederverwendung und/oder das Recycling würde jedoch auch die automatisierte Demontage von Batterien erleichtern.

In der Birmingham-Studie wird auch festgestellt, dass es wichtig ist, neue Stabilisierungsverfahren zu entwerfen, die es ermöglichen, Altbatterien zu öffnen und zu trennen, und Techniken oder Verfahren zu entwickeln, die sicherstellen, dass die Komponenten beim Recycling nicht kontaminiert werden. Mit der zunehmenden Elektromobilität werden wahrscheinlich auch die Forschungsarbeiten und Experimente zur Bewältigung dieser und anderer Herausforderungen zunehmen, die damit verbunden sind, die Batterien von Elektrofahrzeugen in einem Kreislauf zu halten und nicht auf Deponien zu entsorgen.