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Elektroauto-Akkus: So funktioniert das Recycling

Batterie Recycling bei der Firma Duesenfeld
Recycling von Elektroauto-Akkus: Nach der Demontage folgt das Schreddern ∙ © Duesenfeld GmbH/Fotograf Wolfram Schroll

Je nach Zeit und Nutzungsintensität verlieren Lithium-Ionen-Akkus Kapazität. Wertlos sind sie dann aber noch lange nicht. Und auch im Second-Life-Einsatz können sie noch viele Jahre ihren Dienst tun.

Nach zähem Ringen um das Elektroauto bringen die Autohersteller endlich mehr und mehr Modelle mit akzeptablen Reichweiten. Der lang ersehnte Markthochlauf setzte zwar zeitverzögert ein, doch in wenigen Jahren werden Elektroautos zum ganz normalen Straßenbild gehören. 

Zu Recht fragen schon heute viele Menschen: Was passiert mit den Akkus, wenn sie ihre Kapazität verlieren und aufgrund der dann eingeschränkten Reichweite ausgetauscht werden. Droht deshalb in einigen Jahren ein massives Entsorgungsproblem?

Ein zukünftiger Markt: Akkus im Second Life 

Die Antwort auf die Frage nach einem Entsorgungsproblem fällt zweigeteilt aus.

Die erste Antwort: Akkus, die für den Einsatz im Auto nicht mehr leistungsfähig genug sind, sind keineswegs wertlos. In der Regel haben sie dann nach ca. 1500 bis 2500 Ladezyklen immer noch einen Energieinhalt von 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Es ist deshalb weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll, sie in diesem Zustand zu entsorgen. Ganz im Gegenteil: Die Akkus können im sogenannten „Second Life“ im stationären Betrieb weiterverwendet werden.

Der stationäre Betrieb hat den Vorteil, dass die Batterie weit weniger gestresst wird als im Auto mit seinen stetigen Beschleunigungs- und Rekuperationsphasen. Der stationäre Betrieb verläuft deutlich gleichmäßiger und das Laden und Entladen erfolgt nur langsam, also deutlich schonender für die Batterie.

Entsprechende Messreihen von Alterungsprozessen im Labor haben gezeigt, dass das Second Life durchaus noch 10 bis 12 Jahre währen kann. Das heißt: Ein Akku wird bei durchschnittlicher Beanspruchung erst nach über 20 Jahren ein Fall für die Entsorgung sein.

Wie relevant das "zweite Leben" der Akkus sein kann, zeigt das BMW-Werk in Leipzig, wo der BMW i3 gebaut wird. Dort hat BMW einen stationären Speicher errichtet, der aus 700 zusammen geschalteten Akkus des i3 besteht. Alte und neue Akkus werden dabei gemischt eingesetzt. In diesem Großspeicher wird der am Werk von BMW erzeugte Solar- und Windstrom gespeichert und dann für die Produktion genutzt.

Bundesweit gibt es eine Reihe von solchen Projekten, mit denen die Betreiber neue Geschäftsmodelle entwickeln. Ein Beispiel: Auch am Fährterminal im Hamburger Hafen steht ein Großspeicher mit i3-Akkus. Die Kapazität der in zwei Containern beherbergten Akkus beträgt immerhin zwei Megawatt. Sie dienen dazu, Schwankungen bzw. Bedarfsspitzen im Stromnetz von Hamburg auszugleichen.

Als Stromspeicher für den privaten Haushalt reicht dagegen schon ein einziger Akku eines Elektroautos aus. So kann ein Akku mit 20 kWh Kapazität mehr Energie speichern, als in einem Familien-Haushalt in der Regel als Puffer benötigt wird.

Effiziente Verwertung: Recycling in mehreren Prozessschritten

Die zweite Antwort: Die in einem Akku enthaltenen Rohstoffe – die bekanntesten sind Lithium und Kobalt – sind viel zu wertvoll, um sie ungenutzt zu lassen. Also gilt es, diese Schätze durch Recycling zu heben.

Anlagen, die Lithium-Ionen-Akkus in großen Anteilen recyceln können, gibt es inzwischen einige. Allerdings können sie noch nicht im zukünftig notwendigen industriellen Maßstab recyceln, weil es noch nicht genügend Elektroauto-Akkus gibt, die zum Recyceln anstehen. Doch eine möglichst effiziente Rückgewinnung der Materialien ist die Voraussetzung dafür, dass sich der Aufwand ökonomisch und ökologisch bezahlt macht.

Alles andere als auf der Höhe der Zeit stellt sich die Gesetzeslage dar. So sind die Anforderungen an die Recyclingeffizienz - 50 Prozent des Materialanteils müssen wiederverwendet werden - viel zu gering (Batteriegesetz von 2009). Die geforderten 50 Prozent (es zählt das Gewicht) können allein nur durch das Entfernen von Gehäuse und Komponenten erreicht werden, die meist aus Aluminium, Stahl oder auch Kunststoff bestehen. Das Ziel, auch die kritischen Rohstoffe der Batterie wieder zu gewinnen, wird damit klar verfehlt.

Experten fordern deshalb eine Überarbeitung der EU-Richtlinie von 2006, die das Recycling von Altbatterien gesetzlich regelt. Die Richtlinie ist wie das deutsche Batteriegesetz aus einer Zeit, als man weder Elektroautos noch Lithium-Ionen-Batterien dieser Größen im Blick hatte. Die Anforderung an eine überarbeitete EU-Regulierung formuliert Prof. Bernd Friedrich von der RWTH Aachen, der auf dem Gebiet forschend tätig ist, so: „Ein Recycling-Verfahren ist dann effizient, wenn es die Zielelemente wie Graphit, Lithium oder Kobalt zu mindestens 90 Prozent zurückgewinnt.“

Forschungsauftrag für Pilotanlage

Der Lehrstuhl von Prof. Friedrich hat aktuell einen Forschungsauftrag vom Bundeswirt-schaftsministerium, eine Recyclinganlage zu entwickeln, die diesem Anspruch gerecht wird. Die geplante Pilot-Anlage soll ein Volumen von 25.000 Tonnen Elektroautobatterien pro Jahr bewältigen. Wer die Anlage aufbaut und betreibt, wird sich allerdings frühestens in zwei bis drei Jahren zeigen.

Schon in Betrieb ist eine Anlage der belgischen Firma Umicore. Hier werden aktuell die Akkus aus den Formel E-Rennwagen verwertet, die in den Jahren 2015 und 2016 eingesetzt wurden. Die Firma betont, dass die Batterien so zerlegt werden, dass es zu keiner Schädigung der Umwelt durch gefährliche Stoffe komme und dass die gewonnen Metall-Legierungen erneut in Batterien eingesetzt werden könnten.

Auch die Autohersteller Audi und BMW arbeiten mit Umicore zusammen. Das Ziel dieser Partnerschaften ist es, wertvolle Rohstoffe zu 95 Prozent wieder zu gewinnen. Außerdem sollen Erkenntnisse über den Reinheitsgrad der recycelten Stoffe gewonnen werden, so Audi. Die Jahreskapazität zum Recyceln von alten E-Auto-Batterien beläuft sich bei Umicore auf rund 7000 Tonnen. Legt man ein Akkugewicht von 300 Kilogramm zugrunde wären das rund 23.000 Akkus.

Aber beim Akku-Recycling geht es nicht nur um Lithium, Kobalt oder Graphit, sondern zum Beispiel auch um den flüssigen Elektrolyten. In diesem Punkt hat wohl die Firma Duesenfeld gute Fortschritte gemacht. Nach deren Angaben entstünden beim neuen Recycling-Verfahren keine giftigen Fluorverbindungen mehr, wie es bei den bisherigen Methoden der Fall ist. Außerdem werde beim Duesenfeld-Recycling 40 Prozent weniger Prozessenergie benötigt, womit auch 40 Prozent weniger CO2 anfallen würde.    

Hundertprozentig frei von Reststoffen wird kein Recycling-Verfahren je sein, so Prof. Friedrich. Deshalb komme es darauf an, die Reststoffe genauestens auf etwaige Umweltschädlichkeit zu untersuchen. Da gehe es aber um sehr geringe Mengen: „Wenn sichergestellt ist, dass alle verfügbaren Prüfmethoden grünes Licht anzeigen, ist gegen eine Deponierung von Reststoffen nichts einzuwenden.“

Um diese Stoffe geht es beim Recycling   

Eine Antriebsbatterie enthält vor allem sehr viel Aluminium, Stahl und Kunststoffe. In einem rund 400 Kilogramm schweren Akku mit 50 kWh Kapazität stecken etwa

  • 6 kg Lithium

  • 10 kg Mangan

  • 11 kg Kobalt

  • 32 kg Nickel

  • 100 kg Graphit

Die Illustration zeigt, in welchen Bauteilen der Akkus sich welche Rohstoffe befinden und wie viel Gewichtsprozent sie jeweils ausmachen. Die Zahlen stammen aus einer Studie des Ifeu-Instituts. Klicken Sie auf den Bereich des Akkus, der Sie interessiert und es öffnet sich das passende Diagramm. Per Cursor bzw. per Fingertipp werden die konkreten Materialanteile beziffert.

Um beim zukünftigen Recycling eine möglichst hohe Verwertungsquote zu erreichen, ist an ein Verfahren in mehreren Schritten gedacht. Es beginnt mit der manuellen Demontage
eines Batteriesystems. Es folgen das Sortieren, Schreddern und die thermische Aufschmelzung. Am Ende des Prozesses steht die Materialtrennung. Nach heutigem
Stand kann zwar ein Großteil der Batteriematerialien schon zurückgewonnen werden, die Prozessschritte sind zum Teil aber noch zu energieaufwendig und zu teuer.

Prof. Friedrich erklärt zum Forschungsbedarf: „Es wird kein Recyclingverfahren laufen, das sich nicht wirtschaftlich trägt. Es ist ja die Frage: Wo kommt das Geld her? Trägt es sich über den Wert der Produkte? Oder trägt es sich über eine Entsorgungsgebühr, die jeder, der Batterien in den Verkehr bringt, an den Recycling-Betrieb zu entrichten hätte.“ Wirtschaftlich tragfähig sei das Ganze nur mit einem erhöhten Automatisierungsgrad der einzelnen Prozessschritte und mit entsprechend großen Mengen bei der Verarbeitung.

Fazit

Die Recherche des ADAC zeigt, dass bei der Weiterverwendung und dem Recycling der Batterien technisch schon deutlich mehr möglich ist, als aktuell regulatorisch gefordert wird. Der ADAC begrüßt, dass die EU-Kommission eine Überprüfung der einschlägigen Batterie-Richtlinie durchgeführt hat und eine Novellierung im Raum steht.

Da sich der Großteil der Antriebsbatterien noch längere Zeit in den Fahrzeugen oder Second-Life-Anwendungen im Einsatz befinden, wird es noch ein wenig dauern, bis größere Stückzahlen an ausgedienten Traktionsbatterien ins Recycling gehen. Umso wichtiger ist es, die Zeit zu nutzen, klare regulatorische Rahmenbedingungen zu schaffen, mit denen Recycling und Second-Life weiterentwickelt werden können. Denn nur dann ist man gut vorbereitet, wenn die Elektromobilität ein Massenmarkt geworden ist.

ADAC-Empfehlungen an die Hersteller

  • Umsetzung eines nachhaltigen und recyclingfreundlichen Batteriedesigns, damit eine Batterie kostengünstig reparierbar ist, sinnvoll weitergenutzt und schließlich mit wenig Aufwand verwertet und entsorgt werden kann ("repair, reuse, recycling")

  • Schaffung eines standardisierten Zugangs und Transparenz der Batteriedaten (digitales Tracking und Identifizierungs-System).

ADAC-Empfehlungen an die Politik

  • Für die Antriebsbatterien aus Elektrofahrzeugen sollte der europäische Gesetzgeber eine separate Kategorie in den einschlägigen Regularien definieren, damit für diese stark an Bedeutung gewinnende Batterietechnologie dezidierte Sammelquoten und Recyclingeffizienten festgelegt werden können, die dem technischen Stand entsprechen.

  • Die Ziele für die Recyclingeffizienz sollten gemäß dem technisch realisierbaren Stand auf über 90 Prozent angehoben werden, um das eigentliche Ziel eines hohen Maßes an stofflicher Verwertung zu erreichen. Insbesondere für die kritischen Funktionsmaterialien Kobalt, Nickel und Lithium erscheint dabei eine ambitionierte Vorgabe auf Materialebene zielführend.

  • Für die Weiterverwendung von gebrauchten Batterien außerhalb des Fahrzeuges (Second-Life) müssen geeignete Rahmenbedingungen geschaffen werden. Hürden bei der Umwidmung (Verkauf oder Weitergabe an Dritte) und Verwendung von Batterien für Second-Life-Anwendungen wie ungeklärte Haftungsfragen und Entsorgungsverant-wortung könnten sonst die Weiterverwendung von gebrauchten Traktionsbatterien erschweren.