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Altbatterien von E-Fahrzeugen – nachhaltig in Rente

21.01.2021

Wohin mit Lithium-Ionen-Akkus aus Elektroautos am Ende ihres Lebenszyklus? Für die Entsorgung sind sie jedenfalls viel zu schade.

Global stehen alle Verkehrszeichen auf Grün. Die E-Mobilität nimmt weltweit zügig Fahrt auf. Millionen Elektro- und Hybridfahrzeuge ziehen künftig ihre Kraft aus Millionen von Batterien. Deren Lebensdauer nimmt jedoch im Laufe der Zeit ab. Leistung und Lebensdauer der Batterie sind allerdings abhängig von zahlreichen Faktoren, zum Beispiel der Häufigkeit des Auf- und Entladens, der Art des Ladevorgangs, der Fahrweise sowie von äußeren Einflüssen wie der Temperatur. Auf diese Weise altert jede Lithium-Ionen-Batterie im Laufe ihres Einsatzes und verliert an Speicherkapazität. Fällt die Kapazität unter einen bestimmten definierten Wert, ist demnach ihr „End of Life“ erreicht. Das 80-Prozent-Limit hat sich branchenweit als Grenzwert eingebürgert – auch die Hersteller nutzen ihn bei der Formulierung ihrer Batterie-Garantien. Das sogenannte „State of Health“ einer Batterie zu ermitteln, ist allerdings aufwendig, da komplexe Messtechnik zum Einsatz kommt. Bosch hat eine cloudbasierte Batterieüberwachung auf den Markt gebracht, die Akku-Daten sammelt und analysiert, die in der E-Autoflotte anfallen, um auf dieser Basis präzise Vorhersagen zur Lebensdauer zu machen. Das Start-up Twaice hat eine Batterie-Analytiksoftware lanciert, um per Computersimulation die verbleibende Qualität gebrauchter Lithium-Ionen-Batterie zu errechnen. Damit kann man auch in die Zukunft schauen. Einen anderen Schritt gehen die Batterietechnologie-Experten der University of Warwick. Sie haben für Nissan eine Klassifizierungsmethode entwickelt: Mit dieser kann in wenigen Minuten bestimmt werden, ob sich ausrangierte Batterien entweder als Ersatzteillager, zur Second-Life-Nutzung oder fürs Recycling eignen.

Leaf-Batterien setzen Fußball-Arena in Amsterdam unter Strom @ Johan Cruijff Arena 2021
Leaf-Batterien setzen Fußball-Arena in Amsterdam unter Strom @ Johan Cruijff Arena 2021

Zweites Leben für Fahrzeugbatterien

Der Reihe nach: Was also mit Millionen alter Lithium-Ionen-Akkus anfangen? Ein weitverbreiteter Ansatz ist die „Second Life“-Anwendung. Batterien dienen als Speicher für erneuerbare Energien und zur Netzstabilisierung. Im stationären Betrieb wird die betagten Akkus deutlich weniger gestresst als im Elektroauto, wo sie bei Beschleunigung und Rekuperation ständig stark gefordert werden. Schon 2016 errichtete Daimler aus 1.000 Alt-Batterien des smart fortwo electric drive einen stationären Speicher und hat sich mit Batteriespeicherlösungen einen Namen gemacht. Die Tochter Mercedes-Benz Energy kooperiert seit kurzem mit der BAIC Group, um solche „2nd-Life“-Energiespeicher mit ausgedienten Fahrzeugbatterien im Leitmarkt für Elektroautos salonfähig zu machen. Konkurrent BMW, Bosch und Vattenfall erprobten bis Ende 2018 die Zweitverwertung von Batterien für einen Energiespeicher im Hamburger Hafen. Dazu wurden rund 2.600 Batteriemodule aus mehr als 100 BMW-Elektrofahrzeugen, der Modelle Active E und BMW i3, zu einem Stromspeicher zusammengeschaltet. Dieser verfügt über eine Speicherkapazität von 2.800 Kilowattstunden (kWh). Eingesetzt wird der Speicher, um Schwankungen im Stromnetz auszugleichen. Mit dieser Kapazität könnte ein durchschnittlicher Zwei-Personen-Haushalt sieben Monate lang mit Strom versorgt werden. BMW hat an seinem Werk in Leipzig einen stationären Strompuffer errichtet, der aus 700 Akkus des i3 besteht; ein Teil davon ist gebraucht. So will das Unternehmen den selbst erzeugten Solar- und Windstrom optimal in der Produktion einsetzen.

„Die Batterien bleiben auch nach ihrem ersten Leben im Auto eine wertvolle Ressource. Ihr zweites Leben kann durchaus noch einmal ein Jahrzehnt dauern.“

Daniel Hustadt, Lead Link Engineering & Technology bei Vattenfall Europe Innovation GmbH

Universeller Energiespeicher

Nissan und die brasilianische Federal University of Santa Catarina forschen gemeinsam an Second-Life-Anwendungen. So werden gebrauchte Akkus als Energiespeicher in Wohnanlagen eingesetzt. Als erstes Stadion der Welt sichert die Johan-Cruyff-Arena in Amsterdam ihre Energieversorgung durch ein Speichersystem aus neuen und gebrauchten Elektrofahrzeugbatterien. In Zusammenarbeit mit weiteren Partnern etablierte Nissan in der Fußballarena eins der größten Energiespeichersysteme für gewerbliche Gebäude in Europa. Bestehend aus gebrauchten und neuen Batterien des Kleinwagens Leaf, die mit Sonnenenergie gespeist werden. Die Speicherkapazität von drei Megawatt kann theoretisch mehrere tausend Haushalte oder eine halbe Millionen iPhones für eine Stunde mit Strom versorgen. In Japan installierte der Autobauer in der Präfektur Fukushima Lichtmasten, die mit Sonnenkollektoren und alten Batterien betrieben werden. Die Außenbeleuchtung benötigt weder Kabel noch Steckdosen und ist vom Stromnetz völlig unabhängig. Renault unterstützt Speicherprojekte in Frankreich und Deutschland mit Altakkus aus dem Modell Zoe. Auch in Schnellladestationen von VW finden gebrauchte Batterien als stationäres Speichersystem Eingang. Volvo nutzt die seiner E-Busse für Wohnhäuser im schwedischen Göteborg. Und Audi errichtete in Berlin am Wissenschaftscampus EUREF einen 1,9-Megawattstunden-Speicher mit e-tron-Akkus für Forschungszwecke. Die Einsatzzwecke für alte Batterien sind vielfältig. Wirtschaftlich bietet das „zweite Leben“ viel Potenzial, so das Ergebnis einer Studie des Beratungsunternehmens Berylls Strategy Advisors. Demnach dürfte bis 2032 eine Batteriekapazität von rund 1.500 Gigawattstunden an Gebraucht-Akkus anfallen. 

Recycling von Batterien: Neue Kraft aus alten Zellen

Doch irgendwann geben auch diese ihren Geist auf. Darum entwickeln und optimieren Unternehmen, Forschungsinstitute und Autohersteller effiziente Recyclingverfahren für Hochvoltakkus. Neben ökologischen gibt es dafür handfeste wirtschaftliche Gründe: In den Batterien befinden sich kostbare Rohstoffe wie Kobalt, Nickel und seltene Erden. Bislang sammeln die meisten Autobauer ihre gebrauchten Batterien von E-Autos ein und geben sie an spezielle Recyclingunternehmen. Der Hersteller Audi beschäftigt sich seit Beginn der Entwicklung seiner ersten vollelektrischen Elektroautos mit dem Recycling. Gemeinsam mit dem belgischen Materialtechnologie- und Recyclingkonzern Umicore forschen die Ingolstädter seit 2018 an konkreten Verfahren. Mehr als 90 Prozent des Kobalts und Nickels aus den Hochvolt-Batterien des Plug-in-Hybrids A3 e-tron ließen sich im Labortest wiedergewinnen. Beide Unternehmen adaptieren jetzt das Konzept für die neue Modellreihe des e-trons. Inzwischen haben weitere Hersteller das Thema in Angriff genommen: Tesla etabliert derzeit in der Gigafactoy I in Nevada ein eigenes System. Nissan baute ein Recyclingwerk in Japan. VW eröffnete bei seinem Batteriewerk in Salzgitter eine Pilotanlage. Seit 2020 können hier Batterien recycelt werden – zunächst 1.200 Tonnen pro Jahr. Das entspricht 3.000 Fahrzeugbatterien. Der Volkswagen Konzern verfolgt ein ehrgeiziges Ziel: 97 Prozent aller Rohstoffe zu recyceln. Auch dessen Partner bei Batteriezellen, das Unternehmen Northvolt, errichtete eine Anlage in Schweden. Der ehemalige Tesla-Technologievorstand Jeffrey Straubel gründete jüngst das Start-up Redwood Materials, um im Recyclinggeschäft mitzumischen. Die Erwartungen sind groß.

Von der Batterie zum Ausgangsstoff @ Volkswagen AG
Von der Batterie zum Ausgangsstoff @ Volkswagen AG

Umicore recycelt pro Jahr rund 7.000 Tonnen Lithium-Ionen-Akkus aus Smartphones, E-Bikes und Elektroautos. Die Metalle lassen sich etwa dadurch zurückgewinnen, dass man die Batteriemodule, die das Zellmaterial enthalten, in einem Schmelzofen im Hochtemperaturofen bei rund 1.400 Grad so lange erhitzt, bis die Metalle schmelzen und eine Legierung bilden. Aus der Schmelze werden Kobalt, Nickel und Kupfer anhand ihrer unterschiedlichen Schmelzpunkte und Dichten separiert und weiter aufbereitet. Hierdurch erreicht das Unternehmen eine Recyclingquote von 95 Prozent. In der Schlacke findet sich ebenso Lithium. In Deutschland gibt es eine Handvoll Recyclingbetriebe für Lithium-Ionen Akkus. Moderne Anlagen wie etwa von der Redux Recycling in Bremerhaven sind in der Lage, über 10.000 Tonnen Lithium-Ionen-Akkus pro Jahr zu recyceln. Die Rückgewinnungsquote erreicht 60 bis 70 Prozent, sprich dieser Anteil von Ausgangsstoffe ist wiederverwendbar. Besonders wertvoll sind zum Beispiel Kupfer und Aluminium, die als Leiter oder Gehäuse von Akkus verwendet werden. Oder die so genannten Aktivmaterialien der Anode und Kathode, die häufig aus Kobalt, Mangan oder Nickel bestehen.

Das Verfahren des Anbieters Duesenfeld bestehts aus mechanischer Aufbereitung und Hydrometallurgie, das neben den Metallen auch das Lösungsmittel des Elektrolyten sowie den Graphit stofflich zurückgewinnt. Es gilt als einer der umweltfreundlichsten Recyclingprozesse für Lithium-Ionen-Batterien. Am Krefelder Standort der Firma Accurec wird heute die Hälfte aller europäischen Li-Batterieabfälle verwertet. Zuerst werden händisch die Hüllen aus Plastik, Metallteile wie Kupferkabel und Platinen gelöst, sortiert und zum Teil wiederverwertet. Die eigentliche Batterie wird bei 600 Grad erhitzt. Das brennt die stromleitende Flüssigkeit, die sogenannten Elektrolyte, und Reste an Kunststoff heraus. Im nächsten Schritt zerreißt eine Spezialanlage die Batterie. Die Bestandteile werden über Magneten oder Gebläse sortiert. Neben diesem Verfahren gibt es weitere Methoden: Bei VW werden die einzelnen Bestandteile zunächst geschreddert, anschließend das Material getrocknet und gesiebt. In dem schwarzen Pulver sind die wertvollen Rohstoffe Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium enthalten. Diese müssen dann nur noch einzeln getrennt werden. Danach stehen sie für die Produktion neuer Batterien sofort wieder zur Verfügung. Zahlreiche Forschungsinstitute arbeiten schon an neuen Verfahren, die weniger Energie benötigen. So entsteht ein neuer High-Tech-Zweig der Kreislaufwirtschaft – mit maßgeblichen Innovationen durch Akteure aus Deutschland.

(Aufmacherfoto: © Duesenfeld GmbH)

Die IAA MOBILITY wandelt sich von einer reinen Autoshow zur internationalen Mobilitätsplattform mit vier Säulen: Dem Summit, der Conference, der „Blue Lane“ und dem innerstädtischen Open Space. Unter dem Motto „What will move us next“ steht sie für die digitale und klimaneutrale Mobilität der Zukunft. Vom 7. bis 12. September 2021 kommen die Auto-, Fahrrad- und Tech-Industrie auf der IAA MOBILITY in München zusammen.