Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen in Deutschland

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden als Antwort auf viele Herausforderungen der Gegenwart, die mit dem weltweit steigenden Streben nach individueller Automobilität verbunden sind, verstanden. Zum einen können durch Elektrofahrzeuge lokal wirkende Lärm- und Schadstoffemissionen vermindert werden, die insbesondere in dicht besiedelten Gebieten zu Einschränkungen in der Lebensqualität bis hin zu gesundheitlichen Belastungen der Bevölkerung führen. Zum anderen ermöglichen elektrische Antriebe die örtliche und zeitliche Entkopplung von Energieerzeugung und -nutzung und somit den stärkeren Einsatz regenerativer Energiequellen wie Wind- und Wasserkraft, sodass der weltweit steigende Verbrauch fossiler Energieträger teilweise substituiert und die Emission umweltschädlicher Stoffe und im Besonderen von Treibhausgasen eingeschränkt werden können.

Für die strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen ist ein umfassendes Verständnis der Fahrzeug-, Batterie- und Recyclingtechnologien sowie der Bedeutung des Recyclings für betroffene Akteure erforderlich. Eine wesentliche Rolle kommt hierbei den vorherrschenden Unsicherheiten zu. Zur Erarbeitung des Verständnisses werden in diesem Kapitel die Grundlagen für das Recycling der Batterien dargelegt sowie in die Nomenklatur und Systematik eingeführt. Zunächst werden in Abschnitt 2.1 die technischen Eigenschaften und der Aufbau von Lithium-Ionen-Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge im Allgemeinen sowie die stoffliche Zusammensetzung von Technologievarianten im Speziellen dargestellt.

Im vorigen Kapitel wurden die Grundlagen des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien in Deutschland diskutiert und die damit verbundenen Herausforderungen, Chancen und Risiken identifiziert. Dieses Kapitel dient der Herausarbeitung von Planungsaufgaben zur Gestaltung eines entsprechenden Recyclingnetzwerks und der Ergründung der Notwendigkeit zur Entwicklung eines Modells zur Entscheidungsunterstützung, welches zur Beantwortung der eingangs gestellten Leitfragen eingesetzt werden kann.

Die vorangegangene Analyse der Planungssituation, der Literatur und vorhandener Planungsansätze zeigt den Bedarf zur Entwicklung eines spezifischen Modells auf, das zur Entscheidungsunterstützung im Rahmen der strategischen Planung von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen eingesetzt werden kann und mit dessen Hilfe die eingangs gestellten Leitfragen beantwortet werden können. Die Entwicklung eines solchen Modells ist Gegenstand dieses Kapitels. Zunächst wird der konzeptionelle Ansatz vorgestellt, indem die verfolgte Methodik für jede der herausgearbeiteten Anforderungen beschrieben wird (Abschnitt 4.1). Hieraus folgt die formelle Beschreibung eines mathematischen Optimierungsmodells (4.2), das im Anschluss strukturell validiert (4.3) und hinsichtlich Implementierung, resultierender Problemgröße sowie typischer Lösungszeiten charakterisiert (4.4) wird. Anschließend werden Erweiterungen des Modells zur Verringerung der Lösungszeit vorgestellt (4.5). Das Kapitel wird in einem Fazit (4.6) zusammengefasst.

Während ein Teil der in der Einleitung gestellten Leitfragen bereits durch Ausführungen in den vorherigen Kapiteln beantwortet wurden, erfordern andere quantitative, ökonomisch fundierte Analysen und setzen teilweise die Anwendung des Optimierungsmodells zur Technologie- und Kapazitätsplanung voraus. Gegenstand dieses Kapitels ist die Durchführung dieser Analysen. Hierzu wird zunächst das jeweilige Untersuchungsdesign für die Analysen vorgestellt (Abschnitt 5.1). Als gemeinsame Grundlage der Analysen werden anschließend die zur Parametrierung des Modells benötigten Daten und Szenarien (5.2) sowie die daraus generierten, szenariospezifisch optimalen Investitionspläne für ein zentrales Recyclingnetzwerk in Deutschland dargelegt (5.3). Daraufhin werden zur Beantwortung der Fragestellungen potentieller Investoren, der Politik und der Automobilindustrie verschiedene Analysen durchgeführt (5.4).

Auf Grundlage der Ergebnisse der Analysen können verschiedene Handlungsempfehlungen an potentielle Investoren und Betreiber, an Batterie- und Automobilhersteller sowie an politische Entscheidungsträger abgeleitet werden. Zur Vorbereitung dient die folgende, zusammenfassende Beantwortung der in der Einleitung gestellten Leitfragen.

Zur kritischen Würdigung dieser Arbeit wird zunächst überprüft, ob die in Abschnitt 1.2 gesetzten und genannten Ziele tatsächlich erreicht wurden (Abschnitt 7.1). Dies vorausgesetzt, werden die Ergebnisse bezüglich ihres Fortschritts gegenüber dem Stand der Forschung eingeordnet (7.2) und Grenzen bezüglich des entwickelten Modells und seiner Anwendung werden aufgezeigt (7.3). Das Kapitel schließt mit dem Ausblick auf zukünftige Entwicklungen und offene Forschungsthemen (7.4).

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden als Antwort auf viele Herausforderungen der Gegenwart, die mit dem weltweit steigenden Streben nach individueller Automobilität verbunden sind, verstanden. Die deutsche Bundesregierung strebt daher eine Beschleunigung der Markteinführung von Elektrofahrzeugen an, die bis 2020 zu einem Bestand von einer Million Elektrofahrzeuge führen und Deutschland zum Leitmarkt für Elektromobilität machen soll. Eine solche Entwicklung ginge jedoch auch mit einem hohen Aufkommen gealterter und zu entsorgender Lithium-Ionen-Batterien einher. Aufgrund der hohen Mengen der beinhalteten Metalle Lithium, Cobalt, Nickel, Mangan und Kupfer stellt das Recycling der Batterien sowohl ökonomisches als auch ökologisches Potential dar: die Sicherheit der Rohstoffversorgung kann erhöht, die strategische Importabhängigkeit gemindert und starken Preisvolatilitäten entgegengewirkt werden; durch die Substitution von Primärmaterialien können Rohstoffreserven geschont und Umweltbelastungen verringert werden.