Recycling von Batterien (Foto: Pasha Pechenkin, iStock)
Vielleicht eine der größten Herausforderungen für die zukünftige Mobilität: das Recycling von Industriebatterien.
Foto: Pasha Pechenkin (iStock)

Elektromobilität und Recycling Recycling und Entsorgung von E-Auto-Batterien

E-Fahrzeuge sollen in der Automobilität der Zukunft eine bedeutende Rolle spielen, so ein erklärtes Ziel der Verkehrswende. Wenig Beachtung findet dabei bislang allerdings die Tatsache, dass ausgediente Elektroautos eine große Herausforderung für die Entsorgung darstellen. Das Recycling der in den Fahrzeugen verbauten Antriebsbatterien ist sehr aufwendig und bis dato noch unzureichend reglementiert, obgleich die Rückgewinnung der in den Akkus enthaltenen Rohstoffe essenziell ist. Im zweiten Teil der dreiteiligen E-Mobilitäts-Reihe gibt Sonderabfallwissen einen Überblick über Recycling-Methoden für E-Auto-Akkus und beantwortet wichtige Fragen zum aktuellen Stand der Verwertung.

  • E-Auto-Batterien enthalten wertvolle Rohstoffe, deren Vorkommen begrenzt sind, vor allem Kobalt, Nickel und Lithium. Um sie zurückzugewinnen, ist großer, zum Teil manueller Aufwand notwendig, der das Recycling bislang noch unwirtschaftlich macht.
  • Die Vorgaben seitens der Politik zum Recycling von Altbatterien sind überholt, dezidierte Sammel- oder Recyclingziele für E-Fahrzeug-Batterien sind notwendig. Die Überarbeitung der EU-Richtlinie zum Batterierecycling könnte Abhilfe schaffen. Doch auch die Hersteller von E-Autos sind in der Pflicht.
  • Bei Unfällen beschädigte E-Fahrzeug-Akkus gelten als hochgefährlicher Sondermüll. Bislang sind Entsorger nicht ausreichend auf deren Behandlung und Recycling spezialisiert. Auch die Autobranche kann noch keine Lösungen für das Problem anbieten.

Wissenswertes über E-Auto-Batterien

Die am häufigsten in Elektroautos verbauten Batterien sind die leistungsfähigen Lithium-Ionen-Akkus. Sie wiegen zwischen 400 und 700 kg und können etwa acht bis zehn Jahre zum Antrieb eines Elektroautos genutzt werden. Danach verlieren sie langsam ihre Ladekapazität, die Reichweite der Fahrzeuge sinkt. Steigt die Kapazität nicht mehr über einen Wert von rund 80 %, gilt eine Batterie als verschlissen und wird ausgebaut. Technisch defekt sind die Akkus an diesem Punkt ihres Lebenszyklus aber noch nicht. Deshalb beginnt für viele Akkus nun ein „second life“, also eine Weiterverwendung, etwa als stationäre Speicher für Photovoltaik-Anlagen oder als mobile Schnellladesäulen. Haben sie als solche ausgedient, stehen Hersteller vor der Aufgabe, die Batterien einem umfassenden Recycling zuzuführen.

Woraus besteht eine E-Auto-Batterie?

Batterien von Elektroautos stecken voller wertvoller Materialien. Ihre Rückgewinnung und Wiederverwertung im Rohstoffkreislauf ist essenziell – zumal das natürliche Vorkommen einiger dieser Stoffe begrenzt ist. Das betrifft vor allem die Aktivmaterialien der Elektroden wie Kobalt, Nickel und Lithium. Ein etwa 400 kg schwerer Lithium-Ionen-Akku enthält durchschnittlich 100 kg Graphit, 32 kg Nickel, 11 kg Kobalt, 10 kg Mangan und 6 kg Lithium sowie einen flüssigen Elektrolyt. Hinzu kommen große Mengen an Kunststoff, Aluminium und Stahl von Gehäuse und Komponenten wie Kabeln, Platinen und Elektrodenfolien. Während letztere relativ leicht recycelt und in die entsprechenden Stoffströme zurückgeführt werden können, stellt die Rückgewinnung der übrigen Rohstoffe die Entsorgungsindustrie vor größere Herausforderungen.

Unterschiedliche Batterietypen erschweren einheitlichen Recyclingprozess

Vor dem eigentlichen Recycling müssen die Akkus zunächst zerlegt werden, um an die Energiespeicher, die in Modulen angeordneten Batteriezellen, zu gelangen. Diese Demontage erfolgt weitestgehend manuell und dauert pro Batterie etwa eine Stunde. Geschuldet ist das der Tatsache, dass derzeit eine Vielzahl unterschiedlicher Batterietypen auf dem Markt ist. Deren Aufbau sowie die Mengen der enthaltenen Rohstoffe variieren je nach Hersteller und sind oft nicht transparent. Dies steht einer Vereinheitlichung und Automatisierung des Recyclingprozesses entgegen und macht das Verwerten von E-Fahrzeug-Akkus zeitaufwendig und teuer.

Damit einher geht die Frage nach der Wirtschaftlichkeit des Akku-Recyclings. „Die Einnahmen durch den Verkauf der recycelten Stoffe wiegen die Kosten für Sammlung, Demontage und Recycling nicht auf“, fasst Falk Petrikowski vom Umweltbundesamt das Problem zusammen. Die derzeit kostengünstigere Variante stellt daher der Import von Primärrohstoffen aus Minen, etwa im Kongo, dar. Allerdings sind damit erhebliche Risiken und ethische Probleme verbunden. So ist bei der Förderung der Rohstoffe Kinderarbeit an der Tagesordnung, kriegerische Konflikte werden durch die Erlöse mitfinanziert.

Verfahren zum Recycling von E-Auto-Batterien: Einschmelzen

Derzeit finden zwei unterschiedliche Methoden bei der Verwertung von Akkus aus E-Fahrzeugen Anwendung: zum einen das thermische Aufschmelzen und zum anderen das mechanische Zerkleinern und chemische Herauslösen von Rohstoffen. Bei der thermischen Behandlung werden die Batteriezellen eingeschmolzen. Da die metallischen Bestandteile unterschiedliche Schmelzpunkte besitzen, lassen sie sich leicht trennen. Kobalt, Nickel und Kupfer können so zurückgewonnen werden, in einem weiteren Schritt auch Lithium aus der Schlacke. Ein Recyclinganteil von durchschnittlich 60 bis 70 % ist so möglich, Kobalt und Nickel sind sogar bis zu 95 % recycelbar. Graphit, Aluminium sowie der Elektrolyt können mit dieser Methode allerdings nicht wiederverwertet werden. In der Kritik steht zudem der hohe Energieaufwand für das Verfahren. Marktführer bei der Anwendung der thermischen Methode ist das belgische Unternehmen Umicore, das seit 2012 eine Pilotanlage betreibt.

Rohstoffrückgewinnung durch Schreddern

Ein alternatives Vorgehen bietet das sogenannte Schreddern, also die mechanische Zerkleinerung der Akkumodule, in einem geschlossenen Container. Durch die Zugabe von Stickstoff wird dabei die Entflammung der Materialien verhindert sowie der Elektrolyt abtransportiert. In einem weiteren Schritt erfolgt die Trennung des entstandenen Mahlguts nach Fraktionen. Auf diese Weise lassen sich Aluminium und Kupfer in Reinform zurückgewinnen, außerdem ein hoher Anteil an Graphit, Mangan, Nickel, Kobalt und Lithium. Insgesamt werden so ca. 96 % der Batteriebestandteile in den Rohstoffkreislauf zurückgeführt. Entwickelt hat das Verfahren das niedersächsische Chemieunternehmen Duesenfeld. Die zurückgewonnenen Rohstoffe werden zur Herstellung neuer Akkus verwendet. Der dabei entstehende CO2-Ausstoß liegt im Vergleich zur Neuproduktion um 40 % niedriger, wirbt das Unternehmen.

Erforschung und Evaluierung weiterer Recyclingverfahren

Einen weiteren Ansatz erforscht die Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS). Bei der elektrohydraulischen Zerkleinerung sollen nicht nur einzelne Metalle zurückgewonnen werden, sondern zusammenhängende Wertstoffe, die direkt wiederverwendet werden können. Dazu werden Akkumodule unter Wasser gesetzt und so deren Entladung provoziert. Die entstehenden Schockwellen trennen einzelne Zellbestandteile voneinander. Durch weitere Trennverfahren lassen sich die einzelnen Materialen separieren. Vorteil dieses mechanischen Prozesses ist ein vergleichsweise geringer Energieverbrauch. Welches der aktuell vorhandenen Verfahren nach Kosten-, Ertrags- und ökologischen Gesichtspunkten das geeignetste ist, muss sich noch erweisen. Die Schweizer Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa stellt dazu derzeit Untersuchungen an.

Neue Vorgaben für den nachhaltigen Umgang mit Batterien ab 2022

Klare Vorgaben seitens der Politik, was, wie und wie viel in Zusammenhang mit E-Auto-Batterien recycelt werden muss, gibt es noch nicht. Doch im Zuge des europäischen Grünen Deals hat die Europäische Kommission aber im Dezember 2020 eine Modernisierung der EU-Rechtsvorschriften für Batterien vorgeschlagen und auf den Weg gebracht. Darin enthaltene Vorgaben sollen ab 2022 gelten und die derzeit gütige EU-Richtlinie für die Entsorgung von Altbatterien aus dem Jahr 2006 ersetzen. Sie werden auch das deutsche Batteriegesetz beeinflussen.

Neben höheren Sammelquoten führt die Kommission zum Thema „Recyclingeffizienzen“ neue Ziele für Blei-Säure- und auch für Lithium-Batterien ein. Bis 2025 und 2030 sollen außerdem spezifische Ziele für die Rückgewinnung wertvoller Materialien wie Kobalt, Lithium, Blei und Nickel erreicht werden, die der Batterieindustrie wieder zugeführt werden müssen. Darüber hinaus enthält der Vorschlag konkrete Vorgaben zum Mindesteinsatz von Rezyklaten ab 2030 und 2035. Auch die Umnutzung von Batterien aus Elektrofahrzeugen wird erleichtert, um nur einige wichtige Punkte zu nennen.

Ideen für einheitliche Sammel-Infrastruktur gefragt

Nicht nur die Politik, auch Hersteller sind in der Verantwortung. Nämlich dann, wenn es darum geht, eine Infrastruktur für das Sammeln alter E-Auto-Batterien und die Rückführung in die Verwertung zu etablieren. Denkbar wären Leih- bzw. Pfandsysteme für die Akkus, so ein Vorschlag der Denkfabrik Agora Energiewende. Das würde die Zahl der Besitzer von Altbatterien deutlich verringern, die Sammlung vereinfachen und möglichst viele Rohstoffe in den Kreislauf zurückführen. Derweil arbeiten mehrere E-Auto-Hersteller bereits daran, einen geschlossenen Lebenszyklus für E-Fahrzeug-Batterien umzusetzen, indem sie in Zusammenarbeit mit Recyclingfirmen und Akkuherstellern eigene Batteriezellen produzieren. Auch die Einigung auf einheitliche Standards für ein „design for recycling“ (Ökodesign) wäre wünschenswert.

Defekte E-Fahrzeug-Akkus sind hochgefährlich

Bei aller Uneinheitlichkeit haben alle E-Auto-Akkus eines gemeinsam: Lithium-Ionen-Batterien sind potenziell gefährlich. Aufgrund ihrer Inhaltsstoffe sind sie reaktionsfreudig, können in Brand geraten und stecken selbst im entladenen Zustand noch voller Energie. Jeder Transport eines E-Auto-Akkus fällt deshalb unter das Gefahrgutrecht und hat sich nach den gesetzlichen Regelungen des ADR zu richten. Bereits der Transport und das Recycling von unbeschädigten E-Fahrzeug-Akkus ist also mit Risiken verbunden. Wie aber ist mit defekten Hochleistungsbatterien umzugehen, die bei einem Autounfall mechanisch beschädigt worden oder gar in Brand geraten sind? Derart schwer beschädigte Batterien gelten als hochgefährlicher Sondermüll, da es zu Entflammung, gefährlichen chemischen Reaktionen oder dem Austreten giftiger Gase kommen kann.

Recycling beschädigter E-Auto-Batterien: Es fehlt noch an Erfahrung

Zwar unterliegt der Transport defekter Batterien klaren Regelungen: Er muss behördlich genehmigt werden, der Akku muss in einem nicht brennbaren und nicht leitfähigen Dämmstoff verpackt sein. Doch für das Recycling der schadhaften Akkus gibt es bislang weder technisch noch rechtlich klare Vorgaben. Hier fehlt es noch an ausreichender Erfahrung sowie belastbaren Daten. Nur wenige Entsorgungsunternehmen sind auf die Wiederverwertung beschädigter E-Auto-Batterien spezialisiert. Durch nicht fachgerechte Behandlung der Akkus gehen nicht nur wertvolle Rohstoffe verloren, sondern es besteht auch erhöhte Gefahr für die Umwelt. Roland Pomberger, Professor für Abfallverwertungstechnik an der Montanuniversität Leoben, sieht schwere Versäumnisse bei den Herstellern von Elektroautos. Sie setzten sich gar nicht mit der Möglichkeit eines Defekts in den Fahrzeugen auseinander. „Die gesamte Autobranche muss endlich dieses ungelöste Problem gemeinsam anpacken“, fordert der Abfallexperte deshalb.

Ausblick: Chancen und Potenziale nutzen

Auch wenn noch einige Fragen offen sind, steht fest, dass das Recycling von E-Auto-Batterien und die Rückgewinnung der enthaltenen Rohstoffe notwendig ist und vorangetrieben werden muss. Das illustriert beispielhaft eine Hochrechnung des Helmholtz-Instituts Ulm zum Vorkommen von Kobalt. Demzufolge könnten bei derzeitiger Nachfrage nach Antriebsbatterien die weltweiten Kobaltreserven bis ins Jahr 2050 um das Doppelte überstiegen sein. Damit das Recycling den Rohstoffbedarf nur annähernd deckt, sind allerdings weitere Forschung und Innovation notwendig. Denn durch die lange Lebensdauer der Batterien in der Erst- und Zweitnutzung stehen große Mengen an Rohstoffen aus dem Recycling in absehbarer Zeit nicht zur Verfügung. „Wir haben hochgerechnet, dass 2030 ungefähr zehn Prozent des Batterie-Rohstoffbedarfs durch Recycling gedeckt werden kann“, so Kerstin Meyer von der Agora Energiewende. Bei Lithium und Kobalt seien es langfristig bis zu 40 %.

Verbesserungspotenzial birgt auch die bislang händische Demontage der Lithium-Ionen-Akkus. Im vom Umweltministerium Baden-Württemberg geförderten Forschungsprojekt DeMoBat entwickelt ein Zusammenschluss von 13 Partnern aus Industrie und Wissenschaft eine robotergestützte Demontagefabrik für E-Auto-Antriebsbatterien. Erprobt werden sollen zudem umweltschonende Verfahren zur Rückgewinnung knapper Rohstoffe, die auf lange Sicht die Unabhängigkeit von Rohstoffimporten ermöglichen.

Quellen

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