Die matte Ökobilanz der E-Auto-Batterien

Eine mobile Gesellschaft, die gleichzeitig eine nachhaltige Energieversorgung anstrebt, braucht leistungsfähige und wiederaufladbare Batterien. Der Kurs der Elektroautos stimmt, das Ziel einer guten Ökobilanz ist aber bei weitem noch nicht erreicht.

Batterien sind ein entscheidendes Bauteil nicht nur in der tragbaren Unterhaltungselektronik und in Fahrzeugen, sondern dienen auch der Speicherung von Solarstrom, zum Betrieb von Drohnen, Werkzeugen, Robotern und in unzähligen anderen strombasierten mobilen Anwendungen. Dabei hat die Leistungsstärke der Lithium-Ionen-Batterien einen wahren Entwicklungssturm neuer Anwendungen entfacht. Diese auf Jahrzehnten intensiver Forschung beruhende bahnbrechende Entwicklung wurde sogar durch die Verleihung des Nobelpreises entsprechend gewürdigt.

Neben der wissenschaftlichen Anerkennung sprechen die Zahlen zur aktuellen und projizierten Marktgröße eine deutliche Sprache. Ausgehend von einem geschätzten Marktvolumen von 160 Gigawattstunden weltweit im Jahr 2018 bei einem durchschnittlichen Preis von 350 Euro pro Kilowattstunde ergibt sich ein Umsatz von 56 Milliarden Euro. Basierend auf den momentanen Investitionen in Batteriezellproduktionen für automobile Anwendungen werden jährlich deutlich zweistellige Wachstumsraten für die nächsten zehn bis 15 Jahre erwartet. Aufgrund der hohen Dynamik in Asien sind Marktrecherchen aufwendig, aber allein die Milliardeninvestitionen in Europa von zum Beispiel Tesla, VW, Northvolt und CATL sprechen eine deutliche Sprache.

Leistungsstarkes Multitalent

Was ist es, was eine Lithium-Ionen-Batterie in diese Markt-beherrschende Stellung gebracht hat und warum ist sie allen anderen Batterietechnologien in so zahlreichen Anwendungen überlegen? Die Stärke der Lithium-Ionen-Batterie ist die im Energiespeichersektor bisher einmalige Kombination aus Energie- und Leistungsdichte gepaart mit einer sehr hohen Lebensdauer. Das erschließt per se einen sehr großen Anwendungsbereich. Zusätzlich ist es möglich, das Eigenschaftsprofil auf die Anwendung hinsichtlich der Parameter Energie, Leistung und Lebensdauer maßzuschneidern. Aus diesem Grund kann von einer Lithium-Ionen-Technologie gesprochen werden, welche bei gleichem Grundprinzip eine Vielzahl von Facetten und Spielarten hat.

Eine weitere ganz wichtige Charakteristik der Lithium-Ionen-Technologie ist die Tatsache, dass im Gegensatz zu allen anderen etablierten Batterietechnologien keine chemischen Reaktionen ablaufen. Die Vermeidung von chemischen Reaktionen bei der Energiespeicherung mit der unvermeidlichen Wärmeentwicklung ist die entscheidende Voraussetzung für die extrem hohe Energieeffizienz von über 95 Prozent. Jede chemische Reaktion wie auch zum Beispiel die Wasserstoffherstellung mittels Elektrolyse aus Wasser hat Wirkungsrade von oft weniger als 50 Prozent, was die CO₂-Ersparnis und die ökonomische Bilanz entsprechend einschränkt.

Hürden für Wasserstoff

Die Kombination aus elektrischer Wasserstofferzeugung und Brennstoffzelle für den Antrieb im Individualverkehr ist in der Energiebilanz durchaus kritisch zu sehen, da die Kopplung der chemischen Reaktionen zusammen mit Transport und Lagerung zu einem Verlust von mehr als 50 Prozent Primärenergie führt. Zusätzlich würde eine flächendeckende Infrastruktur für Wasserstoff noch zu weiteren Transportverlusten führen.

Maximale Lebensdauern und ein schlüssiges Recyclingkonzept für Batterien sind imperativ.

Die gleichen Argumente ließen sich für die Erzeugung und die Verbrennung von sogenannten e-Fuels anführen, die mit Hilfe regenerativ erzeugten Stroms synthetisch aus CO₂ gewonnen werden sollen. Letzteres ist aber sicherlich eine vielversprechende Technologie für den Flugverkehr, welcher auch durch die besten Batterien kaum elektrifiziert werden kann. Die geringe Well-to-Wheel-Effizienz der e-Fuels setzt voraus, dass regenerativ erzeugter Strom in großem Überschuss zu geringsten Preisen zur Verfügung stehen muss, um die Wirtschaftlichkeit dieser Technologie gewährleisten zu können. Dieses Szenario ist in keinem europäischen Land momentan absehbar.

Von der Spielkonsole ins Auto

Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien wurde in den frühen 1990er Jahren in erster Linie durch japanische und koreanische Konzerne der Unterhaltungselektronik vorangetrieben. Diese Motivation ist auch der wesentliche Grund dafür, dass Europa und die USA in der Batterieentwicklung und Herstellung viel Boden verloren haben, da die Elektronikindustrie zu weiten Teilen in Asien heimisch war und ist. Seit den ersten Anwendungen wurden kontinuierlich große Fortschritte aller Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien erreicht.

Getrieben wurde dies ganz maßgeblich durch die Einführung und Weiterentwicklung von Smartphones und Tablets. Während die Energiedichte sich nahezu verdoppelt hat, stieg die Lebensdauer von wenigen hundert Lade-Entlade-Zyklen auf mehrere tausend. Ein weiterer, immer noch anhaltender Entwicklungsschub setzte zwischen 2005 und 2010 ein, da erkannt wurde, dass sich Lithium-Ionen-Batterien zur Elektrifizierung von Fahrzeugen eignen.

Tesla hat mit der Entwicklung des Roadsters ganz wichtige Pionierarbeit geleistet. Die Eigenschaftsprofile für Zellen für Fahrzeuge unterscheiden sich deutlich von zum Beispiel Batterien für Smartphones: Die Lebensdauern für letztere sind für etwa zwei Jahre ausgelegt, während Fahrzeugbatterien mindestens zehn Jahre und deutlich mehr Lade-Entlade-Zyklen überstehen müssen.

Kosten gesunken

Neben der Eigenschafts- steht die Kostenoptimierung momentan an erster Stelle aller Bemühungen. Obwohl bereits die Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde Energie von über tausend Euro auf unter 200 Euro in den letzten Jahren gesunken sind, gelten die Batteriekosten nach wie vor als große Hürde für die Akzeptanz der Elektromobilität in den Massenmärkten und die Profitabilität der Hersteller. Staatliche Unterstützungsprogramme und Kostensenkungen durch Produktionsskalierung sind dabei momentan der Schlüssel für stark wachsende Zulassungszahlen elektrisch angetriebener Fahrzeuge.

Weitere Optimierungen sind mit zunehmenden Stückzahlen zu erwarten – auch wenn die Kosten der Basismaterialien eine untere Grenze definieren und nicht einfach durch Skalierungseffekte unterschritten werden können. Der Ersatz teurer Rohstoffe wie insbesondere Kobalt ist ein ganz wichtiges Ziel der momentanen Forschung und Entwicklung.

CO₂-Bilanz unterschätzt

Lokale Emissionen und die Reduzierung des CO₂-Ausstoßes sind wesentlichen Motivatoren zur Einführung der Elektromobilität im Individualverkehr. Daher ist die Betrachtung der Ökobilanzen bei der Herstellung und Nutzung von großen Batterien zentral und hat zu einer kontroversen Diskussion in der Öffentlichkeit geführt. Dabei wird immer wieder ins Feld geführt, dass bei der Herstellung von Batterien soviel CO₂ erzeugt wird, dass über den Lebenszyklus kaum ein Vorteil gegenüber der Dieseltechnologie erreicht wird.

Diese Aussage hat viel Gewicht durch eine schwedische Studie aus dem Jahr 2017 bekommen, in welcher ein Wert von 150-200 Kilogramm pro Kilowattstunde CO₂ berechnet wurde. Dieser Wert wurde in späteren Studien auf fast die Hälfte reduziert. Allerdings ist dies in der Öffentlichkeit kaum wahrgenommen worden, so dass die Annahme oft noch ist, dass erst nach mehr als 100.000 Kilometern Laufleistung der sogenannte CO₂-Rucksack der batterieelektrischen Fahrzeuge gegenüber Dieselfahrzeugen kompensiert ist.

Die realistischere Annahme von weit weniger als 100 Kilogramm CO₂ pro Kilowattstunde bei gleichzeitiger Dekarbonisierung der Stromerzeugung führt dabei zu einem klaren Vorteil der Elektromobilität. Und bereits unter der Annahme einer maximal hohen CO₂-Emission bei der Herstellung konnte nachgewiesen werden, dass in regenerativ dominierten Energiesystemen wie zum Beispiel in der Schweiz und in Österreich die Batteriefahrzeuge heutiger Bauart allen Verbrennungstechnologien deutlich überlegen sind!

Rohstoffe als Engpass

Der hohe Materialbedarf für Lithiumionenbatterien ist die Achillesferse der Technologie. Mit Kobalt und Nickel stehen insbesondere zwei Metalle im Fokus der Aufmerksamkeit. Deren Gewinnung und Verarbeitung findet zum Teil unter fragwürdigen Bedingungen in Afrika und Asien statt und hinterlässt generell einen großen ökologischen Fußabdruck. Das Betreiben von Minen ist immer mit signifikanten ökologischen Einschnitten verbunden. Ebenso ist die Gewinnung von Lithium mit hohem Land- und Wasserverbrauch verknüpft. Somit sind maximale Lebensdauern und ein schlüssiges Recyclingkonzept für Batterien ein Imperativ.

Für die erfolgreiche Markteinführung von Elektrofahrzeugen im Individualverkehr erscheinen kalendarische Lebensdauern von mindestens zehn Jahren notwendig. Gleichzeitig sollten die Batterien eine Laufleistung von bis zu 200.000 Kilometer und darüber erreichen. Aufgrund der hohen monetären und ökologischen Kosten der Batterie im Vergleich zum Fahrzeugpreis erscheint ein Austausch der Batterie während der Nutzungszeit des Fahrzeuges unrealistisch.

Der hohe Materialbedarf für Lithiumionenbatterien ist die Achillesferse der Technologie.

Diese Anforderungen werden mittlerweile von allen marktverfügbaren Fahrzeugen erfüllt. Jenseits der Produktanforderungen verbessern verlängerte Lebenszeiten generell das ökologische Profil. Die Erfahrungen mit der momentanen Technologie stimmen optimistisch, dass Nutzungszeiten von weit mehr als zehn Jahren bereits bald möglich sind.

Ein zweites Leben für Batterien?

Jüngste wissenschaftliche Entwicklungen lassen es durchaus realistisch erscheinen, dass Batterien auch bis 20 Jahre und Millionen von Kilometern Laufleistung halten könnten. Dies birgt die Thematik, inwieweit alle anderen Komponenten eines Fahrzeuges über solche Zeiträume nutzbar bleiben und ob nicht der Kunde und die Hersteller ein starkes Interesse an häufigeren Fahrzeugwechseln haben. Daraus ergibt sich dann zwangsläufig die Frage, ob die Batterie oder der gesamte elektrische Antriebsstrang ein zweites Leben in einem weiteren Fahrzeug oder in anderen Anwendungen findet. Bei diesen sogenannten „Second Life“- Strategien gibt es allerdings auch offene Fragen, wie die Bestimmung des Alterungszustandes und des Sicherheitsprofils. Die Energiekapazität alleine ist nicht ausreichend für die Einschätzung, ob eine bereits gebrauchte Batterie auch weiter genutzt werden kann.

Unabhängig von der Nutzungsdauer müssen Batterien zur Ressourcenschonung einem Rohstoffrecycling zugeführt werden. Gerade auch im Hinblick auf die globale Ressourcenverteilung ist es unbedingt erforderlich, dass die Rohstoffe der Batterien in Europa wiederverwertet werden. Wie bei allen Recyclingprozessen sind hinsichtlich der Ökonomie und der Ökologie die Kosten und der Energiebedarf die entscheidenden Größen.

Technisch lassen sich bereits jetzt die Metalle weitgehend über die Reihung von mechanischen, pyrometallurgischen und hydrometallurgischen Prozessen wiedergewinnen. Eine kleine Anzahl Firmen (zum Beispiel Umicore, Accurec) ist bereits in der Lage, Lithium-Ionen-Batterien auf diese Weise zu verwerten. Allerdings sind die Prozesse durch die Notwendigkeit des Aufschmelzens der Batterien energetisch aufwendig und somit für die CO₂-Bilanz des Gesamtlebenszyklus nicht von Vorteil.

Gute Aussichten für Recycling

Die größte Herausforderung besteht allerdings in einer kostendeckenden Prozessführung, da davon auszugehen ist, dass der Wert gewonnener Rohstoffe dazu nicht ausreicht. Ein Grund dafür ist die momentan immer noch sehr geringe Menge an Batterien, die den Recyclingprozessen zugeführt werden. Da die Batterien aus elektrischen Fahrzeugen noch relativ jung sind, fallen nur kleine Batteriezellen aus den Elektronikanwendungen zum Recycling an. Darüber hinaus ist es ein bekanntes Problem, dass nur ein geringer Prozentsatz an Smartphones letztendlich dem Stoffkreislauf zurückgeführt wird.

Die Herausforderung der geringen Mengen wird sich sicherlich in den nächsten Jahren mit der Verbreitung der Elektromobilität relativieren, so dass über Skalierung der Prozesse eine höhere Wirtschaftlichkeit erreicht wird. Eine gegenläufige Entwicklung ergibt sich allerdings aus der Tatsache, dass die Lithium-Ionen-Zellen immer weniger Kobalt enthalten werden, da dies aufgrund der Materialkosten und ökologischen Aspekten ein wesentliches Entwicklungsziel der Zellhersteller ist.

Eine Vorhersage zur Wirtschaftlichkeit des Batterierecyclings ist momentan schwierig, aber eine Art Pfandsystem und entsprechende regulatorische Vorgaben werden wahrscheinlich notwendig sein. Im Bereich der Bleibatterien funktioniert das Gesamtsystem bereits außerordentlich gut, was sich in der Recyclingrate von über 95 Prozent widerspiegelt.

Die Entwicklung von Lithiumionenbatterien war ein entscheidender Durchbruch für die Verbreitung von Smartphones und anderen elektronischen Geräten. Weiterhin wäre Elektromobilität ohne Lithium-Ionen-Batterien nicht denkbar. Momentan befindet sich die Industrie in einem dynamischen Wachstumsprozess, welcher die Kosten massiv senkt und die Elektromobilität in der Massenanwendung ermöglicht. Hinsichtlich der ökologischen Bilanz werden durch Skalierung und Optimierung der Herstellungs- und Recyclingprozesse parallel zur ökonomischen Entwicklung kontinuierlich Fortschritte erzielt.