Immer mehr Elektroautos sind auf den Straßen unterwegs – und damit auch immer mehr und ältere Batterien. Umso wichtiger wird ein Kreislaufsystem für Traktionsbatterien.
Die Traktionsbatterie ist das teuerste Teil eines Elektroautos. Sie hält rund 10 bis 14 Jahre, bis sie ausgetauscht werden muss.
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Weltweit machen elektrifizierte Fahrzeuge mittlerweile einen großen Teil der Neuzulassungen aus. Mit dem Anstieg wird irgendwann auch eine riesige Menge an Elektroauto-Batterien anfallen, die über die Zeit und durch die Nutzung verschleißen, nicht mehr leistungsfähig genug sind oder ausgedient haben. Mögliche Lösungen für Wiederverwendung, Aufbereitung, Reparatur und Recycling von Batterien sind also notwendig, um ökonomischen und ökologischen Ansprüchen gerecht zu werden. In einer gemeinsamen Studie haben der Lehrstuhl "Production Engineering of E-Mobility Components" (PEM) der RWTH Aachen und der Fahrzeugverwerter LKQ Europe die Herausforderungen durch defekte und ausgemusterte Batterien von Elektroautos untersucht.
"Die E-Mobilität nimmt Fahrt auf – und muss aufpassen, dass sie dabei ihren eigenen Nachhaltigkeitsanspruch nicht ausbremst. Die Menge der Lithium-Ionen-Batterien, die sich im letzten Abschnitt ihres 'Lebens' im Elektrofahrzeug befinden, wird in den kommenden Jahren massiv steigen", meint Professor Achim Kampker, Gründer und Leiter des PEM-Lehrstuhls an der RWTH Aachen. "Deshalb müssen wir wirtschaftliche und nachhaltige Konzepte für die Optimierung und die Wiederverwendung von Antriebs-Akkus entwickeln – und letzten Endes auch für die Rückgewinnung der Rohstoffe."
Kreislaufsystem für Traktionsbatterien
Auf dem 43. Internationalen Wiener Motorensymposium haben die RWTH Aachen und LKQ Europe ihre Forschung zu den Herausforderungen für Traktionsbatterien vorgestellt, die durch Alterung und Nutzung auftreten, wie zum Beispiel Ausfälle von Komponenten oder abnehmende Leistung. Sie haben Vorteile, Kosten und Emissionsminderungen durch ein geschlossenes Kreislaufsystem bewertet. Das Projekt konzentriert sich auf Ressourcenschonung, den Erhalt des Restwerts von Elektroautos und die Verlängerung der Batterielebensdauer, um das Auto bei guter Leistung fahrbereit zu halten.
Die RWTH Aachen und LKQ Europe erwarten erhebliche Kosten- und CO2-Einsparungen durch Reparatur und Aufbereitung von Traktionsbatterien.
LKQ Europe
Die Forschenden kommen zu dem Ergebnis, dass ein vollständig geschlossener Kreislauf die höchsten Einsparungen bei Kosten und CO2-Emissionen ergibt, was die Bedeutung der Batteriereparatur und -aufbereitung verdeutliche. Das Recycling von bereits verbauten Rohstoffen am Ende des Produktlebenszyklus bleibe wichtig, sollte aber nur als letzte Möglichkeit betrachtet werden. Zur Erläuterung der unterschiedlichen Methoden der Kreislaufwirtschaft unterscheiden Kampker und Co-Autoren im Buchkapitel Elektromobilität – Trends und Herausforderungen der zukünftigen Großserienproduktion (Seite 675ff) zwischen folgenden Überbegriffen:
- Reparatur: Wiederherstellen der Funktionalität nach einem Ausfall. Herstellung eines Neuzustands des Produkts ist nicht das Ziel.
- Reconditioning: Proaktives Austauschen von Komponenten, die einem Ausfall nahe sind. Herstellung eines Neuzustands des Produkts ist nicht das Ziel.
- Refurbishing: Herstellung eines optischen, aber keines funktionalen Neuzustands des Produkts.
- Remanufacturing: Ein Produkt wird sowohl optisch als auch funktional in den Neuzustand versetzt, inklusive der damit verbundenen Garantie- und Produktlebensverlängerung.
Die Anwendung einer Kreislaufwirtschaft eignet sich bei Traktionsbatterien besonders, sind sie doch das teuerste Teil eines Elektroautos und eine der rohstoffintensivsten Komponenten. Bis zu 40 % des Fahrzeugpreises können die Kosten des Energiespeichers betragen, wie Springer-Autor Alexander Kohs in der Einleitung (Seite 2) zum Buch Batteriemodell zur Prädiktion des Gesundheitszustands von Lithium-Ionen-Batterien erklärt. "Durch zum Beispiel modular standardisierte Batterie-Konzepte mit generell weniger Rohmaterialeinsatz oder gar Substitutionstechnologien ergibt die Anwendung einer Kreislaufwirtschaft hier besonders Sinn", betonen Kampker et al. (Seite 676f) im oben erwähnten Buchkapitel.
Wie lange werden Batterien intakt sein?
In puncto Lebensdauer der Batterie geht man davon aus, dass sie 10 bis 14 Jahre hält, bis sie ausgetauscht werden muss. "Hier liegt heute häufig noch kein geschlossener Batteriekreislauf vor, was Materialabfälle und kostspielige Entsorgung zur Folge hat", erläutern die RWTH Aachen und LKQ Europe. Doch die Knappheit von Rohstoffen, Emissionsreduktionsziele und Kostenüberlegungen würden nach nachhaltigen, langfristigen Lösungen verlangen. Degradierte oder defekte Elektroauto-Batterien sollten in einem geschlossenen Kreislauf behandelt werden. "Angesichts des starken Wachstums der Elektrifizierung im Automobilsektor steht die automobile Wertschöpfungskette in Europa vor einem großen Wandel", fassen es die RWTH Aachen und LKQ Europe zusammen. LKQ erwartet ab 2028 eine starke Zunahme an Elektroautos im Independent Aftermarket: Dann falle eine beträchtliche Menge an Elektroautos aus der Herstellergarantie und kommt in die freien Werkstätten.
Das heißt konkret: "Im Jahr 2030 erwarten wir europaweit rund 34 Millionen installierte Hochvoltbatterien in batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen", erklärt Christoph Schön, E-Mobility Innovation Manager bei LKQ Europe. "Es stellt sich die Frage: Wie lange werden diese Batterien intakt sein? Aktuellen Schätzungen zufolge werden zum Ende des Jahrzehnts jährlich rund 1,3 Mio. Batterien wegen elektrischer, mechanischer und elektrochemischer Fehler in die Werkstätten kommen und müssen geprüft und anschließend repariert oder ersetzt werden. Wir erwarten, dass diese Rückläufe danach um 30 % pro Jahr steigen werden. Muss das gesamte Batteriesystem ausgetauscht werden, ist das sehr teuer. Wir wollen geeignete und nachhaltige Lösungen anbieten, bei denen der Fahrer eines Elektroautos nicht in eine neue Batterie in einem 10 Jahre alten Fahrzeug investieren muss, sondern zu einem Bruchteil der Kosten eine Batteriereparatur oder -aufbereitung bekommen kann."
Demontage bereits früh mitdenken
Daher hat sich LKQ zum Ziel gesetzt, Lösungen für die Herausforderungen der Werkstatt der Zukunft anzubieten. Gleichzeitig müssten aber auch Fahrzeug- und Batteriehersteller die Demontage bereits frühzeitig in Produktentwicklungsprozesse einbeziehen, um später bei Reparatur und Aufbereitung eine Skalierung zu ermöglichen. Schließlich fordert LKQ von der Politik, einen offenen und wettbewerbsorientierten Rahmen zu schaffen, der einen diskriminierungsfreien Zugang zu Batterieschnittstellen gewährleistet und so Wartung und Reparatur im Aftermarket ermöglicht. Im Interview "Akkus sind im Gegensatz zu Kraftstoff recycelbar" (Seite 25) aus der ATZelektronik 12-2021 bringt es Kampker auf den Punkt: "Eine funktionierende Abfallwirtschaft in Form von Remanufacturing, Weiterverwendung und Recycling ist unabdingbar".