Fraunhofer-Batterie-Recycling

Batterierecycling: Lippenbekenntnis oder Geschäftsmodell?

Copyright Abbildung(en): Fraunhofer IKTS

Batterien von Elektroautos stehen in der Kritik – oftmals zu Recht. Die kritischen Rohstoffe Nickel, Mangan und Lithium werden vielfach nicht nach europäischen Umwelt- und Arbeitnehmerschutzstandards abgebaut. Der Schlüssel, um diesen Rucksack kleiner zu machen, liegt im Recycling der Batterien in Europa. Viele Batteriehersteller heften sich auf die Fahnen, die gesamte Wertschöpfungskette von der Zellproduktion bis zum Recycling abzudecken. Aber was ist tatsächlich dahinter? Wir haben mal genauer hingesehen, was sich hinter den PR-Slogans tatsächlich verbirgt.

Wie funktioniert das Recycling?

Sobald eine Batterie aus einem Elektroauto etwa 20 Prozent ihrer Gesamtkapazität eingebüßt hat, ist sie für den Einsatz im Auto nicht mehr geeignet. Technisch ist sie nach entsprechenden Umbauarbeiten aber noch als stationärer Batteriespeicher einsetzbar. Dieses sogenannte „Second Life“ verlängert die Gesamtlebensdauer der Batterien, was sich positiv auf den Klima-Fußabdruck auswirkt. Der Umbau ist jedoch  aufwändig, worunter  die Wirtschaftlichkeit leidet. Vor allem, wenn Neubatterien so wie in den letzten Jahren einem markanten Preisverfall ausgesetzt sind. Mehrere Forschungsprojekte – darunter jenes des österreichisch-bayrischen Konsortiums des Projekts „SecondLife“ – widmen sich der Frage, wie der Test- und Umbauprozess einfacher und kostengünstiger gestaltet werden kann, sodass mehr ausrangierte Batterien als Speicher genutzt werden können.

Wird die Batterie hingegen einem Entsorger übergeben, beginnt der Recyclingprozess. Auch aus der Produktion bzw. aus dem Prototypenbau fallen zahlreiche Zell- und Batterieteile an, die recycelt werden können. Wesentlich ist die Frage, ob der flüssige Elektrolyt – also die Leitflüssigkeit – der Zelle bereits beigefügt wurde oder nicht. Bei Produktionsabfällen ohne Elektrolyt ist das Recycling relativ einfach. Waren die Zellen hingegen schon aktiv, muss die Batterie zuerst entladen werden, um die Reaktionsfreudigkeit zu minimieren. Das passiert auf eigenen Entladestationen, und im besten Fall wird die rückgewonnene Energie im Prozess wiederverwendet. Danach werden die Batterien bis auf Modulebene demontiert, entweder händisch oder mit Roboter-Unterstützung. Das Metall des Gehäuses und die Kabel werden in eigenen Recyclingprozessen wiederverwertet.

Um die Anlagen zu schützen, muss der in den Zellen enthaltene Elektrolyt im nächsten Schritt entfernt oder unschädlich gemacht werden. Das erfolgt meist in einem thermischen Schritt, die Module werden also in Inertatmosphäre stark erhitzt. Der Elektrolyt verdampft und die enthaltenen Giftstoffe werden über die Abgasanlage des Ofens aufgefangen. Einige Unternehmen verzichten auf diesen Inertisierungsschritt und saugen den Elektrolyten beispielsweise ab. In diesem Fall verbleibt aber oft noch ein Rückstand auf den Metallfolien, der die weitere Aufbereitung behindert. Andere wiederum verbrennen klassisch mit Sauerstoff, wodurch eine metallreiche Schlacke entsteht.

Anschließend erfolgt ein Zerkleinerungsschritt. Hier gibt es verschiedenste Varianten, vom Zerschneiden bis hin zum sogenannten Querstromzerspaner, einem runden „Kessel“, in dem eine schwere Kette rotiert und die Teile zerkleinert. In einem nächsten Schritt müssen die erhaltenen, nur wenige Zentimeter großen Teilchen nach Fraktionen getrennt werden. Das erfolgt in mehreren Sieb- und Rüttelschritten. Dabei wird  die sogenannte Schwarzmasse abgesiebt. Das ist jener schwarze Staub, der ursprünglich auf den Alu- und Kupferfolien aufgebracht war und die Aktivmaterialien Lithium, Nickel, Mangan, etc. enthält. Leider liegen diese in der Schwarzmasse als Mischung vor, sodass diese in einem weiteren Schritt hydrometallurgisch – also unter Zuhilfenahme einer flüssigen Chemikalie – wieder getrennt werden müssen. Die enthaltenen Alu- und Kupferfolien werden ebenfalls getrennt und kommen in den entsprechenden Metallhütten wieder zum Einsatz. Während das bei anderen Metallabfällen kein Problem ist, stellt bei Batterien die Verwendung von Folien eine Herausforderung dar, weil diese beim Zerkleinern oder Zerschneiden oft zusammenklumpen.

Was sind die Herausforderungen beim Recycling?

In erster Linie ist das Recycling teuer. Die zahlreichen Aufbereitungsschritte erfordern hochtechnologisierte Anlagen, über die in Europa nur wenige Entsorgungsunternehmen verfügen. Einzelne Schritte wie beispielsweise die Inertisierung im Ofen müssen an spezialisierte Unternehmen ausgelagert werden. Die wiedergewonnenen Materialien sollen zudem einen Abnehmer finden, der bereit ist, dafür auch zu zahlen. Vor einigen Jahren gab es Versuche, recyceltes Aktivmaterial wieder in handelsüblichen Gerätebatterien einzusetzen. Während dies etwa bei recycelten PET für Plastikflaschen bereits gang und gäbe ist, sind die Batteriehersteller jedoch wieder davon abgegangen, recyceltes Material zu verwenden.

Die größeren Hürden stellen jedoch die (noch) fehlenden Mengen sowie rechtliche Auflagen dar. Obwohl die Elektromobilität seit einigen Jahren massiv an Fahrt aufnimmt, kommen jährlich nur einige Tausend Tonnen Altbatterien ins Recycling. Durch den Aufbau von Zell-Produktionskapazitäten in Europa kommen einige Tausend Tonnen Produktionsabfälle hinzu. Um eine Recyclinganlage und -kette aber wirtschaftlich betreiben zu können, muss sie größtmöglich ausgelastet sein. Das bedeutet hohe Mengen. Wenn diese im jeweiligen Land nicht verfügbar sein, müssen die Einzugsradien einer Anlage erweitert werden. Der grenzüberschreitende Transport von Altbatterien, die einem Entsorger übergeben wurden und damit rechtlich als „Abfall“ gelten, ist jedoch stark erschwert, da es sich in den meisten europäischen Ländern um gefährlichen Abfall handelt. Diese Transporte erfordern eine aufwändige und kostspielige Notifizierung an die Behörde, auf die man oft mehrere Monate wartet.

Es ist schon interessant: kommt eine Batterie direkt aus der Neuproduktion, kann sie in einer simplen Holzkiste ohne großen Aufwand in ganz Europa herumgefahren werden – oft 40 bis 50 teilgeladene Packs auf einem LKW, ohne Gefahrgutkennzeichnung. Alleine deshalb, weil es sich in diesem Stadium um ein „Produkt“ handelt. Wird die gleiche Batterie allerdings einem Entsorger übergeben und wird rechtlich zu Abfall, kommen zahlreiche abfallrechtliche Vorgaben zum Tragen. Ein Transport ins Ausland ist nahezu unmöglich. Hinzu kommt, dass jedes Land eigene Vorgaben bezüglich des Transportes hat, da die abfallrechtlichen Gesetze Landessache sind.

Ein Problem ist auch, dass Batteriedesigner oft nur das Auto im Blick haben, nicht aber das Recycling. So werden bei der Produktion immer noch Verklebungen und zahlreiche verschiedene Verschraubungen verwendet, die die Demontage deutlich erschweren. Neue Trends wie „Cell-to-Pack“ – bei der die Batterie Teil der Karosserie wird, um Platz und Kosten zu sparen – machen eine kostengünstige Demontage beinahe unmöglich. Kunden kaufen ein E-Auto aber wegen der niedrigen Kosten, nicht wegen der hohen Recyclingfähigkeit der Batterie. Die ist leider kein Verkaufsargument. Hier ist noch viel Bewusstseinsbildung erforderlich.

Mit der Erwartung größerer Mengen in den kommenden Jahren wird sich die Problematik für jene Entsorgungsunternehmen hoffentlich entspannen, die trotz fehlender Mengen mit dem Bau von spezialisierten Anlagen in Vorleistung gegangen sind. Auch die europäische Batterieinitiative trägt dazu bei, dass mehr Batterien in Europa direkt produziert und die Produktionsabfälle einem Recycling zugeführt werden können. Es ist höchste Zeit, gibt die EU in der heuer verabschiedeten Batterieverordnung doch äußerst ambitionierte Recyclingziele vor: die Verwertungsquoten für Kobalt, Nickel und Kupfer sollen bis 2025 auf 90 Prozent bzw. 95 Prozent im Jahr 2030 steigen. Bei Lithium liegen die Quoten bei 35 bzw. 70 Prozent. Aktuell verfügbare Recyclingprozesse kommen im Schnitt auf etwa 60 bis 70 Prozent, hier hat jedoch das Gehäuse großen Anteil.

Vor allem auf rechtlicher Ebene ist also noch viel zu tun, um das Recycling zu fördern. Die Rückgewinnung von kritischen Metallen wie Lithium und Mangan macht nur dann Sinn, wenn entsprechend viel Schwarzmasse in einer Anlage verarbeitet werden kann. Angesichts der geringen Mengen dieser Metalle in einer Batterie erfolgt dies derzeit allerdings vorwiegend im Kleinst- oder Pilotmaßstab.

Was machen die Batteriehersteller?

Das Recycling von Altbatterien ist ein abfallwirtschaftlicher Prozess, der völlig andere Anforderungen an ein Unternehmen stellt als an ein klassisches Produktionsunternehmen. So muss ein eigener abfallrechtlich Verantwortlicher bestellt und die Anlagen einem aufwändigen Genehmigungsprozess unterzogen werden – unabhängig von der normalen Bau- und Betriebsgenehmigung. Wenn ein Zell- oder Batteriehersteller also behauptet, auch das Recycling abzudecken, lohnt ein genauerer Blick, ob diese Behauptung auch standhält oder hier nur „greenwashing“ betrieben wird. Er müsste hierfür einen enormen zusätzlichen Aufwand betreiben oder mit einem Entsorgungspartner zusammenarbeiten. Wir haben uns daher angesehen, wie die größten Zell- und Batteriehersteller in Europa tatsächlich das Recycling umsetzen.

  • Beginnen wir beim Branchenprimus: der chinesische Branchenriese CATL produziert ab der zweiten Jahreshälfte auch in Thüringen. In China investiert das Unternehmen mehrere Milliarden Euro in ein eigenes Recyclingwerk und hat sich dazu mit BASF zusammengetan. Vor allem das Kathodenmaterial soll wiedergewonnen und in der eigenen Zellproduktion verwendet werden. BASF betreibt bereits eine Prototypenanlage für Batterierecycling in Brandenburg, in der möglicherweise dann auch die Batterien von CATL recycelt werden. Auch in Kanada ist eine große Anlage geplant.
  • Der amerikanische Zellhersteller Farasis investiert hingegen in eigene Recyclingforschung. Erst kürzlich wurde ein umsetzbares Verfahren entwickelt, das Kathodenmaterial kostengünstig und wiederverwendbar recycelt. Das Unternehmen hat außerdem nachgewiesen, dass die Beimischung von bis zu 25 Prozent von recyceltem Kathodenmaterial die Leistung einer Zelle nicht beeinflusst. Nach eigenen Angaben arbeitet man bereits seit mehr als 10 Jahren daran, die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien umweltfreundlicher und nachhaltiger zu gestalten. Im Rahmen der Entwicklung der Direkt-Recycling-Technologie für Kathodenmaterial hat Farasis bereits zwei US-Patente angemeldet.
  • Noch nicht soweit ist LG Energy Solutions aus Südkorea. Im April diesen Jahres wurde mit dem kanadischen Batterie-Recycler Li-Cycle eine Vereinbarung über die Abnahme und das Recycling von Produktionssausschuss geschlossen. Li-Cycle ist jetzt offiziell der bevorzugte Recyclingpartner von LG Energy Solution und LG Chem für Lithium-Ionen-Batterien in Nordamerika und wird die Unternehmen über einen Zeitraum von zehn Jahren mit 20.000 Tonnen Nickel beliefern. LG setzt also ebenso wie CATL auf eine Kooperation mit einem Recycling-Spezialisten.
  • Das tut offenbar auch der chinesische Hersteller BYD. Gemeinsam mit der FAW Gruppe will man die gesamte Wertschöpfungskette – also auch das Recycling – abdecken. Wie und wo bleibt allerdings unklar. BYD setzt indessen auch auf das Second Life als Speichermedium: BYD liefert Altbatterien an das chinesischen Start-up Itochu, welches große Speichereinheiten daraus baut. Diese 20-Fuß-Container beinhalten 160 neuverschaltete BYD Batterien und verfügen über 1 Megawatt Kapazität. Genug, um 100 Haushalte für einen Tag mit Strom zu versorgen.
  • Einer weiteren Partnerschaft hat sich Samsung SDI verschrieben. Der koreanische Zell- und Batteriehersteller mit mehreren Werken in Europa setzt auf den Prozess des belgischen Chemiekonzerns Umicore, einem Pionier im Batterierecycling. Bei Umicore-Prozess wird das Modulmaterial verbrannt, wodurch eine Schlacke entsteht, aus der hydrometallurgisch Metalle rückgewonnen werden können.
  • Auch die baden-württembergische Bertrandt AG bietet nach eigenen Angaben die gesamte Hochvoltbatterie-Expertise an, mit eigenem End-of-Life-Konzept. Wie und mit wem die Bertrandt AG allerdings im Re-Manufacturing, Recycling oder Reuse-Bereich agiert, ist nicht bekannt. Auf der Webseite findet sich kein Eintrag zum Batterierecycling. Das erweckt jedoch den Eindruck, dass dieses End-of-Life-Konzept nur in der PR-Abteilung besteht.

 

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Wenn jeder Hersteller ein End-of-Life-Konzept zwangsläufig mit seinem Produkt ausliefern müsste, wäre das Recycling kein Problem.
Jeder Hersteller, ob Auto oder Batterie, muss das Recycling übernehmen und managen. Nur so kann eine sortenreine Trennung der verbauten Teile gewährleistet sein.
Unterbunden werden sollten dagegen die „creativen“ Abfallwege, in welchen ausgediente Batterien zu einer angeblichen Second-Life-Nutzung in Drittländer wie Indien/Afrika verschenkt werden, welche dann nicht als Abfall deklariert sind, sondern immer noch als (Neu) Produkt gelten, und dort dann landesüblich entsorgt werden können.
Bestes Negativ-Beispiel ist der Gelbmüll, welcher als Brennmarterial ln derartige Länder verkauft wird, um ihn dort in wilden Deponien abzufackeln.
Warum liest man wohl sonst von immer mehr Recycling-Projekten, bei denen ausgediente Batteriepacks irgendwo im Nirwana, wo es keine Nachverfolgbarkeit gibt, irgendwelchen ganz tollen Sozialprojekten und Start-Ups dient?

Als regelmäßiger Leser eurer Seite möchte ich mich mal ausdrücklich für diesen informativen Artikel bedanken – hebt sich wohltuend vom leider sonst häufigen Marketing-Bla-Bla (Presseinformationen) ab. Hoffentlich lesen ihn auch ein paar „Stammtischbrüder“, die noch immer überzeugt sind, dass die Akkus nach spätestens 8 Jahren nur noch teuer zu entsorgender Sondermüll seien.

Sehr informativer Artikel.
Leider fehlen aus meiner Sicht ein paar wichtige Daten und Fakten.

  • Wie effizient sind aktuell die verschiedenen Recyclingverfahren? D.h. wie viele KWh Energie sind nötig um am Ende wieder 1KWh Batteriekapazität aus rezyklierten Kathodenmaterial herzustellen?
  • Der Hinweis auf die Erwartung größerer Mengen an Altbatteriematerial in den kommenden Jahren ist irreführend. Rückgeführt werden „nur“ die Speicher, welche vor 8-12 Jahren produziert wurden. Wir haben einen derzeit exponentiell wachsenden Markt für NEUE Elektrofahrzeuge. Damit kommt im Vergleich zum Bedarf nur wenig Material zurück. Bis der Kreislauf hier eingeschwungen ist, dauert es bis spät in die 2. Hälfte der 2030er Jahre.

Trotzdem jetzt müssen die Weichen gestellt werden um möglichst 100% der Altbatterien gezielt rückzuführen..

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