Roboter bauen Akkus in Fahrzeugkarosserien ein.

Automatisierter Einbau von Akkus in Karosserien

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01.04.2024 VDE dialog

Speichertechnologien: Lang lebe die Batterie

Das Recycling und die Wiederverwendung von Akkus sind unverzichtbar für eine Circular Economy der Zukunft. Die Branche steht in den Startlöchern für die Umsetzung. Doch die Vorhaben sind technisch anspruchsvoll und es ist noch nicht klar, wie sie gelingen können.

Von Markus Strehlitz

Batterien spielen eine wichtige Rolle sowohl in der Mobilitäts- als auch in der Energiewende. Sie dienen etwa zur Stabilisierung der Stromnetze, speichern überschüssigen Strom bei der Nutzung erneuerbarer Energiequellen und sind elementarer Bestandteil von Elektrofahrzeugen.

Und sie sind ein kostbares Gut. Sie enthalten wertvolle Rohstoffe, die in den kommenden Jahren knapp werden könnten. Zudem ist die Gewinnung häufig mit ökologischen und sozialen Herausforderungen verbunden. Daraus folgt: Batterien sollten möglichst lange genutzt, in möglichst vielen Fällen wiederverwendet und es sollten möglichst viele Rohstoffe recycelt werden.

Die kürzlich von der EU verabschiedete Batterieverordnung zielt genau darauf ab. Sie enthält unter anderem Mindestanforderungen an Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit sowie Vorgaben für das Sammeln und das Recycling von Batterien. An der Normung ist die DKE beteiligt. Sie hat von der EU einen Normungsauftrag zu den Themen Haltbarkeit, Leistung und Lebensdauer erhalten. Dieser beinhaltet auch die Prozesse zur Vorbereitung der Batterien für die Wiederverwendung und das Remanufacturing. Die ersten Standards sollen bis Dezember 2025 fertig sein.

Die Verordnung setzt außerdem neue Anforderungen an die Recyclingquoten der Rohstoffe. Ab 2028 müssen aus Batterien Kobalt, Kupfer sowie Nickel zu 90 Prozent und Lithium zu 50 Prozent zurückgewonnen werden. Ab 2032 steigt der Anteil bei Kobalt, Kupfer und Nickel auf 95 Prozent, bei Lithium sollen es dann 80 Prozent sein. Darüber hinaus gibt es Vorgaben, welcher Anteil in einer neuen Batterie aus recyceltem Material sein muss. Die Ziele beim Recycling sind ambitioniert – aber größtenteils realistisch, sagt Dr. Johannes Betz, Senior Researcher und Experte für das Thema Batterierecycling am Öko-Institut: „Die Rückgewinnung von Nickel, Kobalt und Kupfer wird schon seit vielen Jahren erfolgreich betrieben.“

Bei Lithium sieht es anders aus. Dessen Rückgewinnung ist komplizierter. „Lithium ist relativ reaktiv“, sagt Betz. Bestehende Verfahren müssten entsprechend angepasst oder vollkommen neue entwickelt werden – daran arbeite zur Zeit „jeder Recycler“.

Hohe Sicherheitsanforderungen bei kleinen Mengen führen zu teurer Logistik

Batterien enthalten toxische Stoffe wie etwa Kobalt-Nickel-Salze. Und lithiumhaltige Batterien stellen eine potenzielle Brandgefahr dar, wenn man nicht sorgsam mit ihnen umgeht. Für Recyclingprozesse gelten daher hohe Sicherheitsanforderungen. Und diese erschweren unter anderem die Logistik.

Für den Transport werden Batterien in Kategorien eingeteilt, für die unterschiedliche Sicherheitskonzepte gelten. Eine äußerlich beschädigte Batterie würde beispielsweise der Sicherheitsstufe Rot zugeteilt. Zu den Schutzkonzepten zählt, dass die Energiespeicher in speziellen Behältern transportiert werden oder dass sie in bestimmten Fällen nicht gestapelt werden dürfen. Die Anforderungen seien so hoch und gleichzeitig die zurzeit anfallenden Mengen noch so gering, dass es auch dazu kommen kann, „dass ein Lkw mit einer einzigen E-Auto-Batterie durch die Gegend fährt“, wie Betz berichtet. „Und das macht die Logistik sehr ineffizient und teuer.“

Die Gründer des Start-ups Voltfang

Das Start-up Voltfang setzt Speicher aus E-Auto-Batterien für die Stromspeicherung zum Beispiel in Bäckereien oder Supermärkten ein.

| Voltfang

Eine Lösung dafür wäre, die Batterien in kleineren Zentren mit kurzen Anfahrtswegen zunächst vorzubehandeln und sie anschließend zur eigentlichen Recyclinganlage zu bringen. Ein mögliches Verfahren dabei ist, die Batterien mechanisch zu behandeln, zum Beispiel zu schreddern, um eine sogenannte Schwarzmasse zu gewinnen, die sich gefahrlos transportieren lässt. Betz geht davon aus, dass sich mit dem zu erwartenden Hochlauf des Batterierecyclings auch solche und andere Verfahren weiterentwickeln werden.

Recycling, Wiederverwertung, Second Life: Hauptsache nicht auf den Müll

Vor allem die E-Mobilität wird dafür sorgen, dass mehr Batterien recycelt oder wiederverwendet werden müssen. Ab 2030 erwartet das Öko-Institut „ein deutlich wachsendes Sekundärrohstoffpotenzial für wichtige Schlüsselrohstoffe wie Lithium, Kobalt, Nickel und Kupfer“. So steht es in einem Bericht des Instituts zum Bedarf strategischer Rohstoffe für den Pkw- und Lkw-Sektor in Deutschland bis 2040. Die Erschließung dieses Potenzials könne mittel- und langfristig maßgeblich zu einer stärkeren Unabhängigkeit Europas bezüglich der Schlüsselversorgung mit diesen Rohstoffen beitragen, heißt es weiter. Gleichzeitig heben die Autoren des Berichts hervor, dass inzwischen eine zunehmende Zahl von Unternehmen mit unterschiedlichen Verfahren auf verschiedenen Stufen der Recyclingkette aktiv sei und in die Ausweitung notwendiger Aufbereitungs- und Recyclingkapazitäten investiere. Die gesamte Branche steht also in den Startlöchern.

Auf den Hochlauf der E-Mobilität und einen wachsenden Markt warten auch diejenigen, die sich mit der Wiederverwendung von Batterien beschäftigen. Dabei geht es darum, gebrauchte Batterien wieder so instand zu setzen, dass sie in einer anderen Anwendung weiter genutzt werden. Vielversprechend ist etwa die Verwendung von Traktionsbatterien aus E-Fahrzeugen als stationäre Stromspeicher. Diese lassen sich in Privathäusern, aber auch im gewerblichen Bereich einsetzen.

So bereitet zum Beispiel Autobauer Toyota gebrauchte Nickel-Metallhydrid-Batterien aus Hybridfahrzeugen als stationäre Batterien wieder auf. Gemeinsam mit einem Technologiepartner hat Toyota außerdem aus gebrauchten Batterien ein ganzes Speichersystem entwickelt, das mit einem Megawatt Leistung und drei Megawattstunden Kapazität in japanischen Windparks eingesetzt wird.

Präsentation einer automatisierten Demontage einer E-Auto-Batterie

Präsentation einiger Ergebnisse des Projekts DeMoBat am Fraunhofer IPA. Links: Automatisierte Demontage einer E-Auto-Batterie am Fraunhofer IPA. Rechts: ein Kleinteilegreifer.

| l: © Fraunhofer IPA, r: © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Nicht nur große Unternehmen, auch kleine Gründungen sind auf dem Gebiet aktiv. So bietet das Start-up Voltfang stationäre Second-Life-Batterien für Industrie- und Gewerbeunternehmen an. Zur Kundschaft zählen Hotels oder Konzerne mit vielen Filialen wie etwa Aldi. Sie nutzen die wieder aufbereiteten Batterien zur Lastspitzenkappung, für die Eigenverbrauchoptimierung oder den Notstrombetrieb.

Voltfang verwendet für seine Produkte dafür Batterien mit einer Restkapazität von über 80 Prozent. Diese werden zerlegt, auf Modullevel getestet und qualitativ beurteilt. Eine der Herausforderungen dabei war von Beginn an die Diagnose, so Roman Alberti, Mitgründer von Voltfang. Wenn eine Batterie angeliefert wird, ist nur ihr Alter und die Laufleistung des Autos bekannt. Das Start-up entwickelte daher ein eigenes Testverfahren, mit dem sich der Alterungsprozess der Batterie genau analysieren lässt.

Ein Problem, das auch andere haben und das zu lösen der Batteriepass helfen soll. Sein Einsatz ist Teil der europäischen Batterieverordnung und enthält für jede Batterie unter anderem Informationen zu deren Recyclingfähigkeit, Reparierbarkeit und zum CO2-Footprint – und dies über den gesamten Lebenszyklus der Batterie hinweg.

Generell sind Prüfverfahren beim Reuse und Remanufacturing noch eine Herausforderung, wie Dr. Kerstin Sann-Ferro berichtet, Normungsmanagerin bei der DKE. Die in den Normen für die Produktion von Batterien genannten Verfahren beruhen auf sogenannten Typprüfungen. Das bedeutet: Aus einer Serie werden ein oder zwei Batterien entnommen und getestet. Diese stehen dann repräsentativ für die gesamte Serie. Und einige dieser Verfahren sind zerstörend. „Die Frage stellt sich nun: Wie geht man bei gebrauchten Batterien vor?“, so Sann-Ferro. In diesem Fall müsste man jede Batterie prüfen, da eine einzelne ja nicht stellvertretend für andere stehen kann. Es gibt schließlich keine Serie wie bei der Fertigung von Batterien. Dabei komplett auf zerstörungsfreie Methoden zu setzen, sei aber nicht möglich. „Es gibt wichtige Prüfverfahren, bei denen die Batterie nun mal zerstört werden muss. Dazu zählen sicherheitsrelevante Prüfungen.“

Das zurzeit noch gängige Batteriedesign ist nicht kreislaufwirtschaftsfreundlich

Die DKE beschäftigt sich auch mit Normen für die Produktion von Batterien – zum Beispiel in einem gemeinsamen Arbeitskreis mit dem Automobilverband VDA unter Führung des DIN. Hier geht es darum, wie Batterien entwickelt werden, damit sie sich später einfacher wiederverwenden und recyceln lassen. Zur Zeit steht das gängige Batteriedesign dem noch entgegen.

Das betrifft etwa die Montage – also wenn Zellen zu Modulen zusammengeführt werden. Geschieht dies per Verschraubung, lassen sich die Batterien später einfacher auseinandernehmen. Allerdings werden die Module oft verklebt. Solche Aspekte in einen Standard zu packen, der sich dann auch umsetzen lässt, sei schwierig, sagt Sann-Ferro. Manche Verklebungen hätten zum Beispiel auch den Zweck, die Brandgefahr zu reduzieren oder die Haltbarkeit zu verlängern. „Daher kann nicht immer die für das Recycling beste Variante gewählt werden“, so Sann-Ferro.

Tilmann Vahle hält Design for Circularity grundsätzlich im Bereich Batterien für die kommenden Jahre für schwierig erreichbar. Er leitet im Beratungsunternehmen Systemiq die Themen nachhaltige Automobilwirtschaft und Batterien. Zudem hat er das Projektkonsortium „The Battery Pass“ gegründet, um die Entwicklung eines solchen voranzutreiben. „Das Design eines Produkts entsteht ja nicht einfach so“, sagt Vahle, „sondern es geht immer darum, dieses sicher, funktional und profitabel herzustellen.“

In diesem Zusammenhang werde etwa häufig darüber diskutiert, die große Zahl an verschiedenen Batterievarianten zu reduzieren, um ein Remanufacturing und die Wiederverwendung zu vereinfachen. Doch solche Vorgaben könnten Innovationen verlangsamen. Und Innovationen sind häufig entscheidende Wettbewerbsfaktoren. „Erst in einigen Jahren, wenn die Innovationsgeschwindigkeit bei Batterien zurückgeht, wird ein Design for Circularity realistisch zu diskutieren sein“, so Vahle.

Dennoch wird daran geforscht, Reuse und das Recycling von Batterien zu vereinfachen. Ein Beispiel ist das Projekt DeMoBat, das vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung koordiniert und vom Umweltministerium des Landes Baden-Württemberg gefördert wird. Dabei haben zwölf Industriepartner an Konzepten und Technologien gearbeitet, mit denen sich die industrielle Demontage von Batterien und E-Motoren vereinfachen sowie automatisieren lässt. Unter anderem wurde ein recycelfreundliches Design konzipiert und der Prototyp einer demontagegerechten Batterie aufgebaut. Weitere Ergebnisse sind spezielle Roboterwerkzeuge sowie ein System, mit dem eine Batterie zerstörungsfrei bis auf Zellebene demontiert werden kann. Wichtiger Bestandteil dieses Systems ist ein Sicherheitskonzept, bei dem die Temperatur als möglicher Indikator einer Kettenreaktion genutzt wird, falls eine Batterie in Brand geraten sollte.

Die Branche rüstet sich also, um künftig sinnvoll und verantwortlich mit Energiespeichern und den verwendeten Rohstoffen umzugehen.


Markus Strehlitz ist freier Journalist und Redakteur beim VDE dialog.


VDE Infopapier zur Batterieverordnung

https://www.vde.com/infopapier-batterieverordnung

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EU-Batteriepass: "Das gibt es bisher noch nirgendwo auf der Welt."

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01.04.2024 VDE dialog

Das Projekt The Battery Pass unter der Leitung des Unternehmens Systemiq will beim Aufbau des EU-Batteriepasses unterstützen. Tilmann Vahle, der bei Systemiq für die Themen nachhaltige Automobilwirtschaft und Batterien zuständig ist, erklärt, welchen Wert der Pass für die Kreislaufwirtschaft hat und warum die Herausforderungen überwindbar sind.

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