Teslas Gigafactory in Nevada
Foto: Tesla
Zukunft Mobilität Technologie

Umweltfreundlich?
Nur mit der richtigen Akku-Technologie

Ob Elektromobilität wirklich der Umwelt hilft, das hängt maßgeblich vom hierfür genutzten Strom sowie von der Technologie und Produktion der Batterien und Akkus ab. Unser Autor Michael Seitz berichtet über den aktuellen Stand der Entwicklung. Und darüber, was uns in den nächsten Jahren erwartet.

Mit der IAA im Herbst 2019 beginnt für die deutsche Autoindustrie ein neues Rennen um die Mobilität der Zukunft. Auf der größten Autoschau der Welt zeigt Volkswagen die ersten Modelle seiner neuen Elektro-Offensive. 100.000 neue E-Autos im nächsten Jahr und fünf Jahre später schon eine Million. Dahinter stehen viele Millionen Kilowattstunden Akku-Kapazität, Tonnen von Rohstoffen, eine neue Dimension in Bezug auf die industrielle Produktion der Akkus und viele offene Fragen zu deren Recycling. VW wagt einen wichtigen Schritt in Richtung CO2-neutrale Mobilität. Bisher sind Elektrofahrzeuge davon noch weit entfernt. Als Schwachpunkt in der Ökobilanz gilt die Batterie. Hier entscheidet sich, ob das Elektroauto wenigstens einen Teil unserer aktuellen Umweltprobleme löst. Ohne den Blick auf die Batterie liegen elektrische Fahrzeuge im Ökovergleich zu Verbrennern deutlich vorne. Mit nur 6.000 im Vergleich zu 10.000 Einzelteilen ist ihre Produktion weniger aufwendig und ressourcenschonender. Auch ein Vergleich der Energieeffizienz fällt zugunsten eines Elektrofahrzeugs aus – zumal die Energie für den Betrieb der Fahrzeuge in vielen Ländern zunehmend aus regenerativen Quellen stammt. Bleibt als entscheidender Faktor für die Beurteilung der Nachhaltigkeit: die Batterie.

Power aus der Steckdose: Volkswagen hat mit dem up! einen rein elektrischen Kleinwagen auf den Markt gebracht. Doch wie bei allen E-Autos spielt die Herkunft des Stroms bei der Klimabilanz eine wichtige Rolle.
Foto: Volkswagen AG

Rohstoffe, Produktion, Effizienz und Recycling bestimmen die Nachhaltigkeit der Batterie

Betrachtet man den Lebenszyklus von Batterien, entscheidet sich deren Umweltfreundlichkeit auf vier großen Etappen. Zunächst in der Beschaffung der Rohstoffe, danach in der Produktion der Energiespeicher, anschließend in der Effizienz während ihres Betriebs und zuletzt beim Recycling. Die Lithium-Ionen-Batterien von Elektrofahrzeugen benötigen einen schwergewichtigen Rohstoffmix aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Kobalt, Lithium und Graphit. In einem Fahrzeug wie dem neuen VW ID.3 stecken über 200 Kilogramm Batterie. Die genaue Zusammensetzung der Rohstoffe in den Batterien halten alle Hersteller ebenso geheim wie die Chemie ihrer Zellen. Die Förderung und der Transport der Rohstoffe verursachen je nach Berechnung etwa 35 bis 50 Prozent der entstehenden CO2-Belastung bis zur fertigen Batterie. Jeder verwendete Rohstoff hat eine individuelle Klimabilanz. Beispielsweise lässt sich Kupfer oder Aluminium sehr gut recyceln – etwa 65 Prozent des jemals geförderten Kupfers sind noch in Verwendung. Zudem ist die Produktion seit langem etabliert und transparent.

Das gilt nicht für Lithium oder Kobalt mit ihren teilweise ökologisch und ethisch fragwürdigen Förderbedingungen. Unter anderem verbraucht der Abbau von Lithium in den Salzwüsten Südamerikas oder Australiens sehr viel Wasser – je nach Fördergebiet mit negativen Folgen für die Bevölkerung. Als noch problematischer gilt der Abbau von Kobalt, das größtenteils aus dem Kongo stammt. Das zentralafrikanische Land besitzt etwa 65 Prozent der weltweit bekannten Kobalt-Reserven. Unsichere politische und wirtschaftliche Verhältnisse sorgen für fragwürdige Lieferketten. Laut Rohstoffexperten stammen etwa 25 Prozent des Kobalts aus Kleinstbetrieben mit Handarbeit – häufig geleistet von Kindern unter unwürdigen Bedingungen. Große Hersteller wie Volkswagen fördern deshalb eigene Initiativen für eine saubere und ethisch unbedenkliche Förderung von Kobalt. Gleichzeitig arbeitet die Batterieforschung mit Hochdruck daran, die Verwendung dieser Rohstoffe zu reduzieren. Da Kobalt in den Zellen hauptsächlich als Material für die Kathode zum Einsatz kommt, wird hier verstärkt nach Alternativen gesucht. Gleichzeitig werden mit der steigenden Energiedichte der Zellen – gleiche Reichweite vorausgesetzt – zukünftig automatisch immer weniger Rohstoffe benötigt. Auch die Recyclingindustrie hat den wachsenden Rohstoffhunger durch die Elektromobilität längst erkannt und forscht an neuen Verfahren zur Rückgewinnung dieser Rohstoffe in Altbatterien.

Neue Batteriewerke nutzen saubere Energie

Nicht nur der Name ist gigantisch: Teslas Gigafactory in Nevada ist mit 200.000 Solarpanelen ausgestattet. Es ist das größte Solardach der Welt.
Foto: Tesla

Neben der Beschaffung der Rohstoffe verbraucht auch die Produktion der Batteriezellen sehr viel Energie. Insbesondere die Beschichtung und Trocknung der Folien, die innerhalb der Zelle für den Energietransport und das Temperaturmanagement zuständig sind, benötigt viel elektrischen Strom. Auch hier hält die Industrie genaue Werte geheim. Allerdings ist die Möglichkeit zur nachhaltigen Energieerzeugung längst einer der entscheidenden Faktoren für die Wahl neuer Standorte zur Produktion von Batteriezellen. So bestückt Tesla unter anderem seine Gigafactory in der Wüste Nevadas mit 200.000 Solarpanelen und erzeugt so auf dem größten Solardach der Welt eine elektrische Leistung von 70 Megawatt. Auch für die neue Northvolt-Batteriefabrik in Schweden oder das CATL-Batteriewerk im thüringischen Erfurt ist eine vollständige Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen geplant. Sobald die Produktion der Batteriezellen mit Hilfe erneuerbarer Energien erfolgt, reduzieren sich die CO2-Emissionen für die Herstellung der Akkus auf weniger als die Hälfte. Das bedeutet, dass Elektrofahrzeuge ihren Klimarucksack gegenüber Verbrennungsmotoren, mit dem sie zu Beginn Ihres Lebenszyklus starten, schneller ablegen. Experten gehen derzeit davon aus, dass bei einem Fahrzeugbetrieb mit regenerativ erzeugtem Strom das Treibhauspotenzial nur etwa halb so groß ist wie bei einem sehr sparsamen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Dieser Wert verbessert sich ständig durch Forschungen zu Materialien, effizientere Prozesse und optimierte Lieferketten.

Second Life und Recycling optimieren den Lebenszyklus von Batterien

Die Second-Life-Nutzung von alten und ausgemusterten Autobatterien ist ein wichtiger Schritt im nachhaltigen Umgang mit Ressourcen.
Foto: shutterstock

Nicht anders als für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor rechnen auch die Hersteller von E-Mobilen mit einer Lebenszeit ihrer Fahrzeuge von zirka acht Jahren und Laufleistungen von 150.000 bis 200.000 Kilometern. Zum Ende dieser Laufleistung kalkulieren die Entwickler immer noch mit einer Restkapazität der Akkus von 80 Prozent. Damit eignen sich demontierte Batteriemodule für eine Second-Life-Verwendung beispielsweise in fest installierten Speicherschränken für Einfamilienhäuser mit Fotovoltaik oder zum Ausgleich der starken Schwankungen in Stromnetzen mit überwiegend regenerativ erzeugter Energie. Für die Zeit nach diesem zweiten Akkuleben forschen viele Unternehmen bereits am effizienten Recycling der Akkus. Experten sehen diese Wiederverwertung als wichtigsten Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigen Mobilität durch Elektrofahrzeuge. Es ist absehbar, dass die natürlichen Ressourcen den Hunger auf Dauer nicht stillen können. Rohstoffagenturen wie die Deutsche Dera rechnen mit mindestens einer Verdoppelung der Nachfrage bei den wichtigsten Rohstoffen Kobalt, Lithium und Nickel bis 2025. Je nach Marktentwicklung prognostizieren einige Institute auch das Fünffache bis 2028. Für diesen immensen Bedarf gilt Recycling als überlebenswichtig, gleichzeitig verringert wirkungsvolles Recycling den CO2-Fußabdruck eines Elektrofahrzeugs weiter. Marc Grynberg, der Geschäftsführer des weltgrößten Recyclingunternehmens Umicore, rechnet mit 30 Prozent weniger CO2 für den gesamten Lebenszyklus eines Elektrofahrzeugs. Ähnlich wie schon bei der Herstellung der Batterien spielt auch beim Recycling die für den Prozess eingesetzte Energie eine große Rolle – regenerativ erzeugter Strom verbessert auch hier die Bilanz. Ein weiterer Faktor sind dezentrale Reyclingstrukturen – wegen ihrer potenziellen Brandgefahr werden die Akkus zur Wiederverwertung derzeit aufwendig umgeben von Sand in Fässern transportiert. Neben den Recycling-Riesen wie Umicore beschäftigen sich auch viele kleinere Unternehmen und Start-ups mit neuen Verfahren für die erwartete Flut von Recyclingbatterien. Eine möglichst sortenreine Trennung der komplex miteinander verbundenen Rohstoffe steht dabei im Zentrum vieler Forschungen. Nach einer groben Demontage werden auch Akkus häufig zunächst geschreddert und dann durch verschiedene Verfahren wie Luftströme, Magnete oder das Absinken in Wasser möglichst exakt getrennt. Neben den Schreddern könnten auch Roboter zum Rückwärts-Zerlegen von Batterien zum Einsatz kommen. Apple erprobt diese Methode bereits und hat sich langfristig zum Ziel gesetzt, seine iPhones komplett aus selbst recyceltem Material zu bauen. Erst damit wäre der Batterie-Kreislauf auch für eine Wende zur nachhaltigen Mobilität komplett sauber geschlossen.