Elektromobilität: Der Kampf um die Rohstoffe

Kurzfassung

Soll sich die E-Mobilität durchsetzen, wird es ohne Recycling nicht gehen. Zu knapp bemessen sind die Rohstoffe für die Akkus. Doch bisher ist der Recyclingprozess noch sehr aufwendig und teuer.

Kobalt ist einer der wichtigsten Rohstoffe für die Herstellung von wieder aufladbaren Lithium-Ionen-Batterien für E-Fahrzeuge. Der Rohstoff stammt heute zu 60 bis 70 Prozent aus der Demokratischen Republik Kongo. Dort wird er im industriellen Abbau gefördert, allerdings auch zu rund 20 Prozent im Kleinbergbau unter kritischen Arbeitsbedingungen. Ansonsten verteilen sich die Kobalt-Vorräte recht gleichmäßig über die Welt, jedoch nur in geringen Vorkommen. Längst hat daher ein weltweites Rennen um die Sicherung der kompletten Lieferkette von Kobalt eingesetzt. Dabei geht es hauptsächlich um Abbaurechte der weltweit auf rund 7,2 Millionen Tonnen geschätzten Gesamtvorräte an Kobalt sowie die Aufbereitung und Verarbeitung. China liegt hier ganz weit vorne. Vier Fünftel der weltweiten Kobaltsulfat-Produktion finden dort statt.

Ähnlich sieht es beim Lithium aus, das ebenfalls unverzichtbar für die Elektromobilität ist. Auch dieser Rohstoff ist mit 14,5 Millionen Tonnen weltweiten abbauwürdigen Gesamtvorrats äußerst knapp bemessen. Die Hauptlagerstätten liegen in Chile (rund 52 Prozent) und China (rund 22 Prozent). Überwiegend gefördert wird es aber zurzeit in Australien. In die Reihe der knappen Rohstoffe hat sich jetzt auch wegen gestiegener Nachfrage und hohen Verbrauchs Nickel eingereiht. Auf rund 78 Millionen Tonnen belaufen sich seine globalen Vorräte. Abgebaut wird es hauptsächlich in der Russischen Föderation, Kanada, Indonesien und den Philippinen.

China ganz vorne

Laut Klimaschutzplan der Bundesregierung (2019) sollen allein in Deutschland 2030 sieben bis zehn Millionen Elektrofahrzeuge zugelassen sein. Dies allein macht bereits deutlich, dass mit den globalen Ressourcen von Kobalt, Nickel und Lithium die Elektrifizierung des Pkw-Bestandes in den führenden Industrienationen nicht zu schaffen ist. Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ist daher einerseits für die Wiederbereitstellung der Schlüsselmaterialien wie Kobalt-, Nickelund Lithiumverbindungen in hoher Reinheit für den Bau neuer Batterien notwendig. Andererseits wird dem Recycling für die Verringerung der Abhängigkeit Europas - vor allem von China - höchste Bedeutung zugemessen. Hiermit ist aber nicht das "Second Life" von ausgemusterten Batterien als Energiepuffer für Industrie und Haushalte gemeint, da hier lediglich eine Verlängerung der Lebenszeit der Akkus erreicht wird, bevor diese ebenfalls recycelt werden müssen.

Wie groß die Probleme für Industrie und Entsorger sind, unterstreicht hier schon allein der Umstand, dass EU und Umwelt-Bundesministerium aktuell vier großzügig geförderte Forschungsprojekte initiiert haben, um Recyclingmethoden für Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen. Welche Probleme es zu lösen gilt, hat kürzlich eine von der Accurec Recycling GmbH aus Krefeld im Jahr 2020 durchgeführte Studie mit dem Titel "Comparative study of Li-ion battery recycling processes" gezeigt.

Per Hand zerlegen

Die Studie, die vor allem eine Mitbewerberanalyse ist, kommt zu dem Schluss, dass allgemein die aktuellen Recyclingprozesse für Fahrzeug-Lithium-Ionen-Batterien sich in vier verschiedene Prozesse einteilen: Vorbereitung, Vorbehandlung, Hauptbehandlung mit Pyrometallurgie und schließlich Hydrometallurgie.

Bereits bei der Vorbereitung und anschließenden Vorbehandlung von ungeladenen als auch teilgeladenen Lithium-Ionen-Batterien zum Recyclingprozess kann eine Vielzahl chemisch-physikalischer Reaktionen ablaufen, die umweltgefährdende, humantoxische, hochkorrosive sowie explosive Gasgemische produzieren (unter anderem Fluorwasserstoff und Lösemittel). Die Batterien werden zunächst komplett von Supplement-Teilen wie Ladeelektronik, Verkabelungen, Gehäusen, Kühlflüssigkeiten und Ähnlichem befreit. Erst danach kann die eigentliche Batterie zerlegt werden. Dies setzt jedoch voraus, dass die Fahrzeughersteller alle Akkuspezifischen Daten (unter anderem Ladekennlinie, technischer Aufbau, Akku-Chemie) den Recyclingunternehmen uneingeschränkt zur Verfügung stellen.

Extreme Temperaturen

Danach können die Zellen die Teilschritte Pyrolyse und Pyrometallurgie durchlaufen. Diese Schritte sind, trotz sehr hohen Energiebedarfs, unumgänglich, um Verunreinigungen mit Fluor, Chlor, Grafit und Phosphor auszuschließen, da sie in der folgenden Hydrometallurgie grundsätzlich technisch störend sind. Sie werden hier genauso wie die Nichtedelmetalle Eisen, Aluminium und Mangan bei rund 1.400 Grad Celsius verschlackt und damit entfernt. Ansonsten käme es zu unwirtschaftlich hohen zusätzlichen Betriebskosten in der Hydrometallurgie, da die Zielprodukte Kobalt, Nickel und Kupfer nicht in gewünschter Reinheit erreicht werden könnten. Auch die unterschiedlichen Zusammensetzungen der verschiedenen Lithium-Ionen-Batterietypen erfordern die thermische Selektion und Homogenisierung für das Inputmaterial der Hydrometallurgie.

Lithium, Grafit, Aluminium sowie der Elektrolyt gehen jedoch bis heute bei diesen Verfahren vollständig verloren. Lithium ließe sich nur mit sehr großem Aufwand wiedergewinnen. Dafür wären die Aufbereitungsanlagen der Lithiumproduktionsstätten in Australien oder Südamerika ideal. Momentan landet es mit der Schlacke im Straßenbau - für die Herstellung neuer Batterien ist es verloren.

Betrachtet man den Stand des Recyclings, kommt man unweigerlich zu dem Schluss, dass hier noch viel Entwicklungsarbeit geleistet werden muss. Auch bleibt zu fragen, inwieweit die Ökobilanz (CO2 und Chemieabfall) durch den komplexen Recyclingprozess der Lithium-Ionen-Batterien belastet wird.

• Ausgabe 07/08/2021 S.22 (174.9 KB, PDF)

Fragen an ...

asp: Welche Herausforderungen kommen bei der Entsorgung von Traktionsbatterien auf Werkstätten zu?

Oliver Kanz: Werkstätten werden nach derzeitigem Stand erhebliche Probleme haben, defekte oder beschädigte Lithium-Ionen-Antriebsbatterien einer ordnungsgemäßen Verwertung zuzuführen. Für die Entsorgung ergibt sich ein erheblicher organisatorischer und finanzieller Aufwand. Meist ist schon die Suche nach einem geeigneten Logistikdienstleister eine Herausforderung, da nur wenige Unternehmen die rechtlichen Voraussetzungen erfüllen. Dadurch verweilen defekte oder beschädigte Batterien häufig länger im Betrieb als nötig und somit ergeben sich Risikopotenziale bezüglich möglicher Brandlasten.

asp: Was ist bei der Lagerung defekter Batterien zu beachten?

O. Kanz: Aufgrund sehr hoher Brandrisiken gilt es schon aus versicherungstechnischen Gründen, eine separierte und brandsichere Lagerung in der Werkstatt sicherzustellen. Geprüfte Lagerbehälter sind im Markt zwar zu finden, das Angebot beschränkt sich jedoch auf wenige Anbieter zu relativ hohen Preisen. Dies insbesondere dann, wenn komplette Batterieeinheiten sicher gelagert werden sollen.

asp: Was ist bei Entsorgung zu beachten?

O. Kanz: Eine Entsorgung wird zurzeit nur von wenigen Logistik- oder Entsorgungsdienstleistern erfüllt und angeboten. Flächendeckend ist dies in Deutschland momentan nicht gewährleistet. Darüber hinaus sollten mehr oder weniger lange Vorlaufzeiten bis zur Abholung eingeplant werden.