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IN THE CIRCLE

ÜBER DIE NOTWENDIGKEIT DES NACHHALTIGEN UMGANGS MIT RESSOURCEN

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Im Gespräch mit Dr. habil. Benjamin Balke-Grünewald, Abteilungsleiter Energiematerialien, Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS.

So sieht Batterierecycling bei Volkswagen aus: Mittels Sieb können die wertvollen Zellmaterialien – das Schwarzpulver (Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt) – von den anderen Rohstoffen getrennt werden. © Volkswagen AG

So sieht Batterierecycling bei Volkswagen aus: Mittels Sieb können die wertvollen Zellmaterialien – das Schwarzpulver (Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt) – von den anderen Rohstoffen getrennt werden. © Volkswagen AG

Herr Dr. Balke, welche Rolle spielt das Batterierecycling im Gesamtkomplex E-Mobilität?

Die Elektromobilität ist in Deutschland und darüber hinaus ein wesentlicher Bestandteil der Energiewende. Neben der Weiterentwicklung in der Fertigung sind Kreislaufführung von wertvollen Ressourcen und die Reduktion des ökologischen Fußabdrucks der E-Mobile von entscheidender Bedeutung, um einen nachhaltigen Beitrag zu den Klimazielen zu leisten. Alle natürlichen Ressourcen auf unserem Planeten sind endlich. Es gehört also zu unseren zentralen Zukunftsaufgaben, nachhaltig mit Materialien und Ressourcen umzugehen. Das gilt vor allem für die Elektromobilität: Hier müssen wir dringend die Lebensdauer von Batterien signifikant erhöhen und das Batterierecycling verbessern.

Wie ist der aktuelle Technologiestand bei diesem Thema?

Derzeit existieren zwei generelle Verfahrenswege zum Recycling von Lithiumbatterien. Der pyrometallurgische Ansatz, also das Aufschmelzen der Batterien, ist robust und sicher. Die erreichbare Recyclingquote ist jedoch begrenzt, insbesondere in Bezug auf bestimmte Elemente und Verbindungen. Der mechanische Ansatz verspricht potenziell höhere Recyclingquoten, ist jedoch mit höheren Sicherheitsrisiken behaftet. Die Materialtrennung im Zerkleinerungsprozess – meist „Schreddern“ – ist zudem nur mäßig selektiv. Derzeit gibt es noch relativ geringe Mengen an Batterien für Elektrofahrzeuge, die recycelt werden müssen. Da diese Mengen dramatisch zunehmen, stellen sich Fragen zu den Upscaling-Vor- und Nachteilen in Bezug auf die etablierten, aber auch auf die sich in der Entwicklung befindenden Prozesse. Insbesondere pyrometallurgische Wege leiden unter hohen Kapitalkosten. Und wenn eine vollständige Recyclingfähigkeit erreicht werden soll, sind alternative Verfahren dringend erforderlich – anstatt zu versuchen, nur die wirtschaftlich wertvollsten Komponenten zu recyceln. Hier ist die Kombination aus mechanischem und hydrometallurgischem Recycling klar im Vorteil.

Welche Innovationen stehen kurz vor dem Durchbruch?

Das IWKS entwickelt derzeit einen hydromechanischen Prozess, dessen Kernstück eine potenziell hohe Materialselektivität in den Zerkleinerungsschritten aufweist. Der Einsatz von Wasser im überwiegenden Teil des Verfahrens sorgt für hohe Sicherheit. Dieses Verfahren hat unter anderem auch den Vorteil, dass es relativ leicht möglich ist, die unterschiedlichen Fraktionen wie Polymere, Metalle und Schwarzmasse, voneinander zu trennen und dabei auch eine – im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren – hohe Reinheit der Fraktionen zu erreichen. Dadurch sind die darauffolgenden Recycling-Schritte deutlich zeit- und energieeffizienter und damit natürlich auch wirtschaftlicher. Hier fehlt allerdings bisher noch der Beweis der Upscale-Fähigkeit. In mehreren gemeinsamen Projekten mit starken nationalen und internationalen Partnern werden wir diesen Beweis in den kommenden drei Jahren erbringen.

Wo liegen grundsätzlich die größten Hindernisse beim Batterierecycling? Und was ist aus Ihrer Sicht regulatorisch optimierbar?

Die größten Hindernisse liegen zunächst beim industriellen Upscaling der Technologien, aber auch bei der Logistik des sicheren Transports von Batterien zum Recycling-Institut. Eine große Rolle kommt der Sammlung von Autobatterien am Ende ihres ersten Lebens zu. Speziell der letzte Aspekt muss von Bund und EU geregelt werden, sodass es verpflichtend wird, die Batterien zu recyclen. Ich würde sogar noch einen Schritt weitergehen und sagen, dass diese Materialien nachweisbar im Kreislauf zu führen sind. Um die Kreislaufwirtschaft möglichst effizient und effektiv zu gestalten, ist es unbedingt nötig, einen EU-weit verpflichtenden „Batterie-Passport“ einzuführen. Damit kann jeder Befugte schnell und eindeutig erkennen, um was für einen Zell-Typen es sich handelt. Im Idealfall lassen sich auch die Inhaltsstoffe bis zur Mine zurückverfolgen.

Ein von Volkswagen geführtes Forscher-Team befasst sich derzeit mit Antriebsbatterien – und will demnächst Batterien erstmals mehrfach recyceln. Ein Blick in die VW-Pilotanlage: Bevor das noch feuchte Granulat weiterverarbeitet werden kann, muss es getrocknet werden.

Ein von Volkswagen geführtes Forscher-Team befasst sich derzeit mit Antriebsbatterien – und will demnächst Batterien erstmals mehrfach recyceln. Ein Blick in die VW-Pilotanlage: Bevor das noch feuchte Granulat weiterverarbeitet werden kann, muss es getrocknet werden. © Volkswagen AG

Welches ökologische Potenzial schreiben Sie dem Batterie-Recycling zu?

Die Mobilitätswende hin zu elektrischen Antrieben bewirkt naturgemäß einen enormen Anstieg des Bedarfs an Traktionsbatterien. Um diesen Bedarf zu decken und auf lange Sicht einen nachhaltigen Umgang mit den teils auf kritischen Rohstoffen basierenden Materialen zu gewährleisten, ist eine rentable und vollständige Rückgewinnung von entscheidender Bedeutung. Neben einer signifikanten Reduktion der effektiven Treibhausgasemissionen von Elektrofahrzeugen, bei der nicht nur die Nutzungsphase, sondern auch die Herstellung und Rohstoffgewinnung zu berücksichtigen sind, ermöglicht das Recycling der Lithium-Ionen-Akkus eine Reduzierung der global-wirtschaftlichen Versorgungsabhängigkeit von strategisch wichtigen Rohstoffen und bewirkt einen deutlichen Wettbewerbsvorteil aufgrund der verbesserten Außendarstellung beim Endkunden. Derzeit ist die Batterieproduktion der Haupttreiber in puncto CO2-Freisetzung in der Elektromobilität und gefährdet dadurch die ökologischen Vorteile dieser Technologie. Daher sind die Verwendung von nachhaltigen Materialien und der Ausbau des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien von großer Wichtigkeit, um die CO2-Bilanz von Fahrzeugen mit Elektroantrieben zu verbessern.

Wie hoch ist denn der potenzielle Recycling­Beitrag?

Gegenüber der Primärproduktion von Kathodenmaterialien können so bis zu 90 % an CO2 eingespart werden. Gegenüber derzeitigen metallurgischen Aufbereitungsverfahren beträgt die mögliche Einsparung 20 bis 30 %. Außerdem ermöglichen die entwickelten Technologien eine gesteigerte Ressourceneffizienz durch die Kreislaufführung der Kathodenmaterialien. Lediglich geringe Mengen der sogenannten Lithium-Precursor und gegebenenfalls Nickel-, Kobalt- und Manganverbindungen müssen zugegeben werden.
So lässt sich auch der Materialbedarf gegenüber der Primärproduktion um bis zu 80 % senken.

Inwieweit kann eine recyclinggerechte Konstruktion, das „Design for Recycling“, ein vielversprechender Ansatz für eine nachhaltige Batteriewirtschaft sein?

Ich halte das für sehr wichtig und wertvoll. Auch wir entwickeln in einem BMBF-Projekt mit unseren Kollegen vom Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie den Ansatz weiter, Designkonzepte direkt aus Simulationsergebnissen zur Batteriearchitektur und der zugehörigen Prozesstechnologie abzuleiten. Ziel ist eine Optimierung der Prozessparameter und -ketten, um die Eigenschaften des Schwarzmasse-Rezyklats für den Einsatz in einer Rezyklatbatterie zu qualifizieren. Die Designs bzw. Re-Designs der Batteriezellen basieren auf realen Material- und Exergieverlusten sowie Energie- und Materialflüssen. Auf Grundlage solcher Simulationen wird ein Konzept für recyclingoptimiertes Design auf Zellebene mit Anwendungsbezug erstellt.

Wie könnte eine komplette Recycling­Infrastruktur im Idealfall aussehen?

Die Komplettlösung hat sehr viele Facetten und ist sehr komplex. Wichtig wäre auf jeden Fall, neben jede Batteriefabrik direkt eine Batterierecycling-Fabrik zu stellen. So könnte man schon einmal den „Produktionsausschuss“ recyceln und ihn mit relativ geringem Aufwand der Produktion wieder zur Verfügung stellen. Für End-of-Life-Batterien braucht es dann eine einfache und schnelle Diagnostik, um beurteilen zu können, ob sich ein „Second-Life“ wirtschaftlich oder ökologisch lohnt – oder, ob die Batteriezelle dem Recycling zugeführt werden sollte. Bevor man dann ans Recycling denken kann, muss man sich erst einmal um das Entladen und die sichere, schnelle und robuste Demontage bis auf Zell-Niveau kümmern. Hierzu erarbeiten wir am IWKS in unserem Zentrum für Demontage und Recycling der E-Mobilität, kurz ZDR-EMIL, automatisierte und flexible Demontage- und Recyclingprozesse für alle Komponenten aus Elektrofahrzeugen. In Kooperation mit der regionalen Industrie können wir so eine hohe Recyclingeffizienz unter den Gesichtspunkten von Wirtschaftlichkeit, Resilienz und Nachhaltigkeit erreichen.

Wie sollte sich der Wirtschaftsstandort Deutschland hier am besten positionieren?

Es sollten nicht mehr nur politische Absichtserklärungen gegeben werden, in denen das Recycling als wichtig und entscheidend für die Energiewende genannt wird. Für den Erfolg wird es wichtig sein, wie wir handeln – und nicht, was wir sagen.

Besten Dank für das interessante Gespräch.

Dr. habil. Benjamin Balke-Grünewald

© Fraunhofer IWKS

© Fraunhofer IWKS

ist seit 2018 beim Fraunhofer IWKS tätig und leitet dort seit April 2020 die Abteilung Energiematerialien. Nach seiner Dissertation im Jahr 2007 wirkte der studierte Chemiker und Mathematiker mehrere Jahre bei verschiedenen internationalen Forschungsprojekten mit, u.a. für die Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, die UC Berkeley in den USA und die Universität Stuttgart. Mit zahlreichen Forschungsprojekten und Publikationen ist Balke heute u.a. namhafter Experte im Bereich Batterierecycling, Materialforschung, Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie.

Autor

Daniel Boss