Batterien & Recycling

Batterien, die nicht mehr im Elektroauto genutzt werden, können in ein zweites Leben, das sogenannte "Second Life, überführt werden. Welche Eigenschaften haben Lithium-Ionen-Akkus, was zeichnet sie aus? Und wie steht es um die Entsorgung der Akkus, wenn sie im Fahrzeug nicht mehr genutzt werden können? Was können regionale Recyclingzentren bewirken, auch hier in der Schweiz? Wir haben die Antworten.

Batterien

Lithium-Ionen-Akkus: 1st Life

Lithium-Ionen-Batterien sind leistungsfähig. Durch die steigende Nachfrage und die Perspektive eines rasch und stark zunehmenden Marktwachstums werden LithiumIonen-Batterien intensiv weiterentwickelt. Sie wurden ab Beginn des letzten Jahrzehnts bedeutend leistungsfähiger und zuverlässiger. Die Energieeffizienz wurde auf 96% Energieabgabe bei lediglich 4% thermischem Verlust erhöht. Lithium-Ionen-Batterien haben bezüglich der Energiedichte, der hohen Anzahl Entladezyklen und kurzer Ladezeiten Vorteile gegenüber anderen Speichertechnologien. Mittels eines Batteriemanagement-Systems (BMS) wird sichergestellt, dass sämtliche Zellen einer Batterie in den gleichen Ladezustand versetzt werden. Die steigende Intelligenz, welche mit dem BMS erreicht wird, minimiert die Instandhaltungskosten und verlängert die Nutzungsdauer.

Lithium-Ionen-Batterien sind zuverlässig. Verschiedene Langzeittests befassen sich mit Qualität, Langzeitleistungsfähigkeit und Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterien. Der ADAC bezeichnet den BMW i3 als «zuverlässig». Nach 84'000 km verfügt das Testfahrzeug noch über 93.4% seiner ursprünglichen Reichweite. Beim getesteten Nissan Leaf waren es nach 100000 km noch 84.8%. Bei beiden getesteten Fahrzeugen handelt es sich um ältere Modelle, der getestete Nissan Leaf ist ein Fahrzeug der ersten Produktegeneration. Laut Nissan haben neuere Modelle «eine verbesserte Batterie, die keine Probleme mit der Rekuperation und der raschen Abnahme der Kapazität aufweisen soll».

Fahrzeugimporteure gewähren Investitionssicherheit. Mit den neuen Generationen der Elektroautos wurde bei den meisten Anbietern die Garantiedauer der Batterien angehoben. Beim beschriebenen Nissan Leaf sind für bereits für das Modell von 2019 acht Jahre oder 160'000 km garantiert. Beim Erreichen der kritischen Leistungsgrenze der Batterie (laut ADAC 70-80% der ursprünglichen Leistung) können einzelne Zellen des Akkus ausgewechselt werden. Ein vollständiger Ersatz der Batterie wird somit hinfällig.

Lithium-Ionen Akkus: 2nd Life

Mit der Zeit und je nach Nutzungsintensität verlieren Lithium-Ionen-Batterien Kapazität. Wenn die kritische Leistungsgrenze unterschritten wird (70-80% der ursprünglichen Leistung), sind die Batterien für den Einsatz im Fahrzeug nicht mehr ohne Einschränkung geeignet. Der Austausch von Batterien in Fahrzeugen ist grundsätzlich möglich, wird aber zusehends nur selten vollzogen. Dies weil der erste Lebenszyklus der Batterie (im Fahrzeug) durch das sogennante Upcycling verlängert werden kann. Durch den Austausch einzelner Module werden Batterien langlebiger gemacht. Das Potential dieser Methode beträgt 66% und ist übrigens auch für E-Bike-Batterien anwendbar. Zudem wurden durch die Fortschritte der Batterietechnologie immer grosszügigere Versprechen der Hersteller auf die Lebensdauer möglich. Die Garantiedauer ist in den letzten Jahren stets angestiegen, erste Hersteller (wie bspw. Lexus) gewähren 1mio. Kilometer oder 10 Jahre.

Nach dem erstsen Leben im Fahrzeug wird die Batterie nicht wertlos. Sie kann im sogennanten 2nd Life noch über lange Zeit als Stromspeicher weiterverwendet werden. Typische Anwendungen sind die Speicherung von Solarenergie in Gebäuden oder als Puffer für den Ausgleich von Lastspitzen in Schnellladestationen. 


Recycling

Für die Inhalte dieses Abschnitts ist die Librec AG verantwortlich.

Bis 2025 werden in Europa ca. 800 GWh Energiespeicherkapazität in Form von Lithium-Ionen Antriebsbatterien produziert (LIBs). Das entspricht rund 3.2mio Tonnen Batterien - jährlich. Heute importiert die Schweiz ca. 15'000 Tonnen, bis 2025 dürften es 30'000 und 2030 um die 100'000 Tonnen pro Jahr sein.

Die Wertstoffe in den Batterien sind für Autohersteller interessant und modernste Recyclingtechnologie schafft eine Rückgewinnung von über 90% («closed-loop»). Der Transport ausgedienter Batterien über lange Strecken birgt Gefahren und ist teuer. Deshalb sind regionale Recyclingzentren verteilt über ganz Europa der effizienteste Entsorgungsweg.

Der Verband der Auto-Importeure ‘auto-schweiz’ und die Librec AG bereiten sich zusammen mit dem Bundesamt für Umwelt, der EMPA und der Berner Fachhochschule auf diese Herausforderung vor.

Mit welchen Volumen ist kurz-, mittel- und langfristig zu rechnen?

Aktuell sind in Europa über 25 Batteriefabriken in Planung, im Aufbau oder bereits in Betrieb. Sie werden bis 2025 gemeinsam rund 3.2mio Tonnen Batterien pro Jahr produzieren. Jede Fabrik produziert während der Inbetriebnahme 10-20% Ausschuss und auch im eingespielten Betrieb bleibt dieser Wert zwischen 5 und 10%. Allein der Produktionsausschuss wird bis 2025 über 320'000 Tonnen pro Jahr erreichen und muss rezykliert werden.

Man rechnet heute mit einer Lebensdauer von Antriebsbatterien von 8-15 Jahren. Anschliessend können einige Batterien noch in einer stationären Anwendung, zum Beispiel als Speicher für Sonnen- oder Windenergie, genutzt werden. Man spricht dann von einem «second life» dieser Batterie. Spätestens nach dieser Phase müssen alle Batterien entsorgt werden. In Europa dürfte das bis 2035 eine Million Tonnen Batterien pro Jahr sein.

Die heutige Recycling-Kapazität in Europa beträgt erst ca. 50'000 Tonnen, arbeitet mehrheitlich mit sehr Energie intensiver Schmelze oder Pyrolyse und erreicht noch keine ausreichenden Rückgewinnungsraten.

Können grosse Lithium-Ionen-Batterien vollständig und effizient rezykliert werden?

Ja. Mit modernster Verfahrenstechnik kann heute von allen Bestandteilen der Batterie über 90% zurückgewonnen und wieder in der Produktion neuer Batterien eingesetzt werden. In Europa hat vor zwei Jahren ein erstes Werk den Betrieb aufgenommen, welches diese Technologie in den Grundzügen anwendet (Duesenfeld GmbH in Norddeutschland).

Für dieses «closed-loop»-Recycling werden die Batterien zuerst entladen. Der rückgewonnene Strom deckt rund einen Viertel der benötigten Prozessenergie. Dann werden die Batteriepakete in die einzelnen Module zerlegt und diese dann geschreddert. Das Schreddern erfolgt unter Stickstoff und das anschliessende Trocknen des flüssigen Elektrolyten unter Vakuum. Darauf folgen weitere anspruchsvolle Trennungsschritte, mit denen alle Komponenten zurückgewonnen werden und es bleibt die sogenannte «schwarze Masse» übrig. Dieses schwarze Pulver besteht aus Kobalt-, Nickel-, Mangan- und Lithiumoxid und wird in einem letzten Schritt – man spricht von Hydrometallurgie – in die für die Produktion von neuen Batterien benötigte Form gebracht.

Welche gesetzlichen Rahmenbedingungen gelten in der Schweiz und der EU?

Grundsätzlich gilt in ganz Europa, dass die Autohersteller oder die Autoimporteure – oder auch alle anderen Inverkehrsetzer von Batterien – diese unentgeltlich zurücknehmen und für die Entsorgung geradestehen müssen. Je nach Land wird diese Pflicht etwas unterschiedlich geregelt.

In der Schweiz ist jeder Hersteller und Importeur von Batterien verpflichtet, dem Staat eine vorgezogene Entsorgungsgebühr zu entrichten (Inobat). Die Gebühr wird so festgelegt, dass damit langfristig die Sammlung und ein umweltverträgliches Recycling nach dem Stand der Technik finanziert werden kann. Die Entsorgung muss zudem eine hohe Volumenbündelung erreichen, damit die Recyclingkosten für die Konsumentinnen und Konsumenten so gering wie möglich bleiben.

Schliesst sich eine ganze Branche, zum Beispiel jene der Auto-Importeure, zusammen, kann sie diese Gelder auch selbst einziehen und damit die Entsorgung langfristig finanziell sichern. Man spricht dann von einer «Branchenlösung» und je mehr Mitglieder mitmachen, desto günstiger wird es für alle Teilnehmer (Volumenbündelung).

Schliesslich nehmen in Europa – und voraussichtlich auch in der Schweiz – die geforderten Mindestrückgewinnungsraten zu. Eine Europäische Gesetzesvorlage aus dem Jahr 2020 sieht vor, dass bis 2025 90% und ab 2030 95% der kritischsten Rohmaterialien zurückgewonnen werden und neue Batterien einen Mindestanteil an rezykliertem Material beinhalten müssen.

Wie können Sammlung und Recycling für Konsumenten, Umwelt und Autohersteller am effizientesten organisiert werden?

Die Autohersteller wollen genau wissen oder sogar selber kontrollieren, was mit den alten Batterien und den Wertstoffen passiert. Einige grosse Autohersteller spielen mit dem Gedanken, die alten Batterien am Ende ihres Produktlebens von den Kunden zurückzukaufen oder die Batterie beim Verkauf des Autos gar nicht zu verkaufen, sondern nur zu vermieten (leasing). Über diese Fragen entscheidet die aktuelle und zukünftige Verfügbarkeit – und damit der Preis – der in den Batterien enthaltenen Rohstoffe.

Bereits heute ist klar, welches die günstigste und effizienteste Methode zur Sammlung und Rezyklierung der Batterien ist: Weil die Transporte ausgedienter Batterien gewisse Gefahren mit sich bringen und damit vergleichsweise teuer sind, macht es ökonomisch und ökologisch Sinn, die Batterien in einem Umkreis von nicht mehr als 600km Durchmesser zu sammeln und im Zentrum des Kreises wie oben beschrieben bis zur Schwarzmasse zu rezyklieren. Die Schwarzmasse kann dann gefahrlos und effizient in ein zentrales Chemiewerk für den letzten hydrometallurgischen Aufbereitungsschritt transportiert werden. Dieses System nennt man «spoke-and-hub» (also «Speiche-und-Nabe») und setzt sich aus Kostengründen in USA und Europa durch.

Was passiert in der Schweiz?

Die Schweizer Auto-Importeure sind noch bis Ende 2021 von der vorgezogenen Entsorgungsgebühr für Antriebsbatterien befreit. Ab Januar 2022 müssen Sie entweder dem Bund (Inobat) oder einer eigenen Branchenorganisation einen vorgezogenen Entsorgungsbeitrag pro Kilogramm importierte Batterie entrichten.

Der Verband der Schweizer Auto-Importeure (auto schweiz) bereitet sich aktuell zusammen mit dem Bundesamt für Umwelt und der Librec AG auf die neue Situation vor. Während sich auto schweiz um die Finanzierung möglicherweise mit einer eigenen Branchenlösung kümmert, bereitet die Librec AG alles vor, um Batterien oder alte Autos ab dem 1. Januar 2022 bei den Garagen abzuholen. Dazu wird eine online-Plattform eingerichtet, auf welcher alle Betriebe und Privatpersonen in der Schweiz die Gratisabholung von Lithium-Ionen Batterien bestellen können. Librec kann alle Batterietypen aus allen Anwendungsbereichen und in jedem Zustand annehmen (Personenwagen, Busse, Lastwagen, Bau- und Landmaschinen, Schiffe, Lokomotiven, etc., sowie stationäre Lithium-Ionen Batterien wie «power walls», etc.).

Die Librec AG baut die weltweit modernste Recyclinganlage auf und kann ab 2024 alle Lithium-Ionen Batterietypen mit über 90%iger Rückgewinnung vollständig rezyklieren. Librec gibt die zurückgewonnenen Materialien an Vertragspartner zurück, welche sie garantiert wieder in der Produktion von neuen Batterien einsetzen («closed-loop»).

Was oder wer ist "Librec"?

Das Projekt «Librec» wird unter anderen vom Bundesamt für Umwelt, auto schweiz, Stiftung Auto-Recycling Schweiz, Inobat, EMPA, Berner Fachhochschule, Switzerland Innovation Park Biel/Bienne und Innosuisse unterstützt und hat zum Ziel ab 2022 Batterien aus der ganzen Schweiz und dem nahen Ausland zu sammeln und ab 2024 mit weltweit führender Technologie vollständig zu rezyklieren. Ein Sammelradius von rund 300km um den zentralen Standort von Librec an der A1 zwischen Bern und Zürich und die hocheffiziente Recyclingtechnologie machen Librec zur kostengünstigsten Lösung für Autoimporteure und Konsumentinnen und Konsumenten. 

Das Librec-Recyclingzentrum wird nicht nur Sammlung und Recycling von Altbatterien anbieten, sondern auch systematische Prüfung der Batterien auf Weiterverwendbarkeit in einer stationären Anwendung («second life»), Schulungen für Garagen, Service-Betriebe und Blaulicht-Organisationen im Umgang mit Hochvoltsystemen, sowie Batteriereparatur für interessierte Importeure. Diese vollständige Integration aller Aspekte rund um die Altbatterien führt nicht nur zu den tiefst-möglichen Kosten für alle Beteiligten, sondern schont auch die Umwelt maximal und schliesst das letzte Glied im Kreis einer vollständig nachhaltigen Elektromobilität.

Liberec

Dieser Abschnitt wurde mit der fachlichen Unterstützung der Librec AG erstellt.

 

Siehe auch:

Weitere interessante Informationen mit Illustrationen finden Sie in unserem Faktenblatt Elektromobilität 2021

Recycling Zentrum Schweiz
 

 

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© 2021 Swiss eMobility c/o Mobilitätsakademie

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