DER AKKUMULATOR DES MODERNEN HOMO ELECTRICUS


Die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie als wesentlicher Baustein der Elektrifizierung des Automobils trägt eine gewisse Ironie in sich. “Stanley Whittingham führte grundlegende Arbeiten in den 1970er-Jahren bei der Ölfirma Exxon dazu durch. Exxon hatte im Rahmen der Ölkrise – wie viele andere Firmen – die Forschung und Entwicklung im Bereich regenerativer Energien verstärkt. Dies legte während der Ölkrise die Grundlagen für heute wichtige Technik – auch für die Photovoltaik”. Hier ein Artikel von heise dazu.


UNSERE AKKUS UND DAS MÜLLPROBLEM


Eine der Schlüsseltechnologien, die unseren modernen Lebensstil im 21. Jahrhundert ermöglicht, sind Lithium-Ionen-Akkus. Mit ihnen betreiben wir unsere Mobiltelefone und Laptops, Werkzeuge, Spielzeuge, Roboter und seit einigen Jahren auch unsere Elektroautos. Seit ihrer Markteinführung im Jahr 1991 hat sich diese Speichertechnologie aufgrund ihrer große Energiedichte und ihrer unkomplizierte Handhabung weltweit durchgesetzt. So war es auch nicht überraschend, als ihre Entwickler letztes Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurden, ist doch diese Technologie nicht mehr aus unserem modernen Leben wegzudenken.
Wenn man allerdings die Kommentare in Diskussionsforen, auf Twitter, Instagram oder Facebook liest, könnte man glauben Lithiumakkus sind das ultimativ Böse – schädlicher Giftmüll welcher nicht recycelt, sondern nach Afrika verschifft und in Hinterhöfen von Kindern ohne Schutzkleidung auseinandergenommen wird, wie all unser seit Jahrzehnten anfallender Elektroschrott oder die Blei-Starterbatterien unserer Verbrennerautos.

Die Süddeutsche Zeitung schrieb am 29.11.2018 in ihrem Artikel, “Die dreckige Wahrheit der Mobilitätswende”

“…Bisher ist nicht klar, wie die Altbatterien von Elektroautos und Fahrrädern mit E-Motor recycelt werden sollen…”, und weiter “… Die Hälfte aller in den Verkehr gebrachten Geräteakkus verschwindet spurlos. Das zeigt eine neue Studie des Öko-Instituts für die EU-Kommission. Statt aussortiert und wiederverwertet zu werden, landeten 2015 allein 35 000 Tonnen an tragbaren Batterien europaweit im Hausmüll. Das sind 16 Prozent der 212 000 Tonnen, die 2015 in den Markt gebracht wurden. Zudem werden viele Akkus mitsamt der Kleingeräte entsorgt. Selbst Deutschland verfehlte 2016 die vorgeschriebene Sammelquote für Elektroaltgeräte in Höhe von 45 Prozent. Ab 2019 schreibt das Batteriegesetz 65 Prozent vor.”

Schätzungen der deutschen Akademie für Technikwissenschaften (Acatech) gehen davon aus, dass 25 bis 30 Prozent des in Europa anfallenden Elektronikschrotts illegal exportiert werden – inklusive der Akkus.
Auch in Verbrennerfahrzeugen nach Afrika exportierte Bleibatterien werden teilweise unter menschenunwürdigen Bedingungen in Fabriken mit geringen Sicherheitsstandards oder in Hinterhöfen zerlegt, um an den begehrten Rohstoff Blei zu kommen. Dieses Blei wird zum großen Teil auch wieder in die EU exportiert. Hierzulande allerdings, können Bleiakkus, welche zu drei Vierteln aus Metall bestehen schon zu 100% recycelt werden, nur das verwendete Plastik wird beim Recycling thermisch verwertet, also verbrannt. Der Gewinn für die Rohstoffe liegt bei ca. 500 Euro pro Tonne, das Recycling ist also sehr lukrativ.


GILT DAS ABER AUCH FÜR ALTAKKUS VON ELEKTROAUTOS?


Was mit Elektrofahrzeugen passiert, die am Ende ihres Lebens nach Afrika oder Osteuropa abgeschoben werden, weiss man heute noch nicht. Tatsache ist allerdings, dass in Autoakkus hunderte Kilogramm an wertvollen Rohstoffen stecken und es heute schon sehr gute Methoden gibt, diese Materialien fast vollständig und sortenrein zurückzugewinnen. Für Europa kann man sagen, dass wir strenge Recyclingrichtlinien haben und dass sich Akkurecycling heute schon lohnt. Hier hat sich in den letzten Jahren viel getan, denn inzwischen bieten neue Recycling-Verfahren neue Optionen um die Batterien der Elektroautos wiederverwertbar zu machen, was bisher nicht oder nur teilweise der Fall war.

Vor dem Auftreten von Elektroautos wurden Lithiumakkus unter hohen Temperaturen eingeschmolzen, um die wertvollen Metalle wie Nickel, Kobalt und Mangan wiederzugewinnen. Dieses Verfahren war günstig, allerdings sehr ineffizient und nicht besonders umweltfreundlich, denn die Recyclingquote lag hier lediglich bei 25% und der Abfall landete als Schlacke in stillgelegten Bergstollen. Auch wurde das Lithium der Akkus nicht wieder gewonnen.

Fortum, ein finnisches Unternehmen schaffte es schließlich, die Menge an recyclebarem Material in Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahren auf 80 Prozent zu erhöhen. Bei dieser Recycling Methode werden Kunststoffe, Aluminium und Kupfer den entsprechenden Recyclingprozessen zugeführt und danach durch ein hydrometallurgisches Verfahren mit geringem CO2-Ausstoß Kobalt, Mangan und Nickel aus der Batterie gewonnen. Allerdings wird auch hierbei Lithium nicht zurück gewonnen. Anders als die Recyclingmethode Firma Duesenfeld GmbH aus Wendeburg bei Braunschweig. Sie schafft es, ausgediente Akkus schon zu 96% zu recyceln und auch das Elektrolyt sowie das Lithium sortenrein wiederzugewinnen, so dass es für neue Akkus wieder verwendet werden kann. Dabei wird im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren 70 Prozent weniger Energie verbraucht und der CO2-Fußabdruck der Batterie um 40 Prozent reduziert. Im Grunde bleibt nur die im Akku verbaute Plastik-Separatorfolie zurück. Diese kann noch nicht recycelt werden und wird deswegen thermisch verwertet. 


WORAUS BESTEHT EIGENTLICH EIN AUTOAKKU?Akkus Zellchemie


Es gibt verschiedene Akkutypen, welche verschiedene Zellchemien aufweisen. Bestandteile eines Akkus sind, je nach Zellchemie Aluminium oder Mangan, Lithium, Kobalt und Nickel. Fakt ist, dass Lithiumakkus zwar so heißen, ein Lithium-Ionen-Akku im Elektroauto aber nur eine sehr geringe Menge an Lithium benötigt. Ein typischer (großer) Akku in einem Tesla Model S wiegt zum Beispiel etwa 600 Kilogramm, davon entfallen aber nur etwa 10 Kilogramm Gewicht auf das Lithium – damit hat Lithium nur einen Anteil von 1,67 % am Gesamtgewicht des Tesla-Akkus. Hauptbestandteil ist mit ca. 80% Anteil das Metall Nickel. Kobalt ist in einem Tesla Akku inzwischen nur noch zu 2-3% enthalten. Andere Hersteller hingegen benötigen hier noch bis zu 10% Kobalt für ihre Zellen. In Zukunft will man aber gänzlich auf Kobalt verzichten, denn es ist einfach zu teuer. Die ersten Akkus ohne Kobalt sind schon serienreif , die Forschung steht allerdings erst am Anfang. Hier ein Artikel von Auto-Motor-Sport zum Thema.

In den nächsten Jahren dürfen wir sicher noch einige Überraschungen erleben, wie brandsichere Feststoffakkus oder Teslas neue Batteriezelle, die mehr als 1,6 Millionen Kilometer Lebendsauer verspricht. Auch sind schon Akkus in Entwicklung, welche die doppelte Energiedichte aufweisen und somit bei gleichem Gewicht die Reichweite eines Elektroautos verdoppeln könnten. Dazu ein Artikel von Ingenieur.de.

 

LITHIUM-AKKUS UND IHRE LEBENSDAUER


Wie lange eine Traktionsbatterie einwandfrei funktioniert, ist elementar für die ökonomische und ökologische Gesamtbilanz des Elektroautos. Ein Vorurteil von Elektroautoskeptikern ist, Autoakkus würden nur einige Jahre oder 100.000 km halten, bevor sie getauscht werden müssten. Ein neuer Akku würde Stammtischinformationen zufolge zudem 17000 Euro kosten, was einem wirtschaftlichen Totalschaden gleichkommt. Nun gibt es Elektroautos erst 10 Jahre in größeren Mengen, dennoch kann man auch hier Entwarnung geben. Erfahrungen von Elektroautofahrern zeigen, dass Autoakkus weit über 300.000 km genutzt werden können, bevor sie getauscht werden müssen. Bei der Akku-Lebensdauer wird zwischen kalendarischer und zyklischer Alterung unterschieden, wobei erstere die Degradation ohne das Beaufschlagen von Strom beschreibt und zweitere die Abhängigkeit von der Batterienutzung. Die meisten Autohersteller garantieren für ihre Akkus eine Laufzeit von 8 Jahren oder 160-200.000 km. BMW gibt an, ihre Akkus würden 15 Jahre lang genutzt werden können, die Garantie beträgt allerdings auch hier 8 Jahre. Siehe, Artikel von Ecomento 

Sollte in dieser Zeit die Akkukapazität unter 70-80% fallen, würde der Kunde kostenlos einen neuen Energiespeicher eingebaut bekommen. Wobei auch nicht immer gleich ein neuer Akku eingebaut werden muss, Nissan beispielsweise bietet für seine Akkus ein “Refurbishment” an. Dabei werden nur einzelne, defekte Zellen getauscht und nicht der gesamte Akku.


ZYKLISCHE UND KALENDARISCHE LEBENSDAUER


E-Autos werden erst seit relativ kurzer Zeit in größeren Mengen hergestellt und verkauft, weswegen es zur kalendarischen Lebensdauer noch wenig Praxiserfahrung gibt. Und doch haben schon vereinzelt Elektroautos die 200.000 km Marke erreicht bei 90% der ursprünglichen Kapazität. Hier ein sechs Jahre alter Smart ED mit diesen Werten. Bericht in EQpassion.

Beim Tesla Model S kann man auf Praxisdaten aus rund acht Jahren zurückgreifen. Und auch hier bestätigt sich die lange Haltbarkeit der Akkus. Bei der Zyklischen Belastbarkeit gehen Branchenexperten von 1500 Ladezyklen bei Premiumfahrzeugen aus. Die erste Generation der Zellen lag noch bei 500 Zyklen. Der Verschleiß einer Batteriezelle findet mit jedem Ladezyklus statt: Vereinfacht gesagt werden die Strukturen beim Be- und Entladen minimal geschädigt, und die Menge des aktiven Materials sinkt.

Wie errechnen sich nun die Ladezyklen? Ein Zyklus ist das komplette Be- und Entladen einer Zelle von 0 auf 100 Prozent und zurück, wobei eine halbe Ladung auch nur einen halben Ladezyklus bedeutet. Ein Batteriesystem besteht aus vielen einzelnen Zellen, die wiederum in Modulen zusammengefasst sind. Wenn ein Elektroauto mit einer Vollladung selbst unter widrigsten Bedingungen 200 Kilometer schafft, ergeben sich aus 1500 Ladezyklen also 300.000 Kilometer. Eine Prognose, die sich entsprechend nach oben oder unten verschieben kann, wenn die Gesamtkapazität besonders klein oder besonders groß ist. Ein fabrikneues Tesla Model 3 Long Range mit 75 kWh und über 300 Kilometern Aktionsradius könnte eine halbe Million Kilometer erreichen. Hansjörg-Eberhard Freiherr von Gemmingen-Hornberg hat mit seinem Tesla Model S sogar schon eine Million Kilometer erreicht, allerdings mit dem zweiten Akku. Der erste hielt nur 290.000 km und musste dann getauscht werden. Der zweite ist allerdings derzeit bei 710.000 Kilometern und immer noch nicht defekt. Bericht aus dem Manager Magazin

Warum halten die Akkus von Elektroautos aber so lange, während ein Handyakku schon nach wenigen Jahren seinen Geist aufgibt und drastisch an Kapazität verliert und hat auch das Nutzerverhalten einen Einfluss auf die Lebensdauer?

Ladezyklen

Ein Grund ist die Größe des Akkus. Je höher die Kapazität, desto geringer die Belastung für die einzelne Zelle. Das eigentliche Geheimnis aber liegt im Batteriemanagement-System (BMS), also der Ladeelektronik des Fahrzeugs. Es sorgt dafür, dass die Akkuzellen wesentlich weniger stark altern, da sie gleichmäßig und vor allem nicht über 80% oder unter 20% ihrer Kapazität schnell geladen werden. Am wichtigsten für die Lebensdauer ist allerdings die Kühlung des Akkus während des Schnellladens, denn Hitze über 60 Grad verträgt ein Akku besonders schlecht. Moderne Elektroautos haben zu diesem Zweck ein Akku-Kühlsystem. Dieses sorgt dafür, dass Schnellladungen den Akku nicht so dramatisch schädigen, wie es an manchen Stammtischen erzählt wird. Das beste Beispiel ist auch hier der Tesla von Hansjörg-Eberhard Freiherr von Gemmingen-Hornberg, denn dieses Auto wurde überwiegend an Schnellladern geladen. Ohnehin laden rund 90 Prozent der Besitzer ihre Elektroautos zu Hause, entweder über eine gewöhnliche, vom Elektriker abgesicherte Steckdose oder über eine sogenannte “Wallbox”, mit bis zu 11kw, teilweise sogar mit bis zu 22kw. Ebenfalls verschleißfördernd ist die Ladung einer wegen niedriger Außentemperaturen ausgekühlten Batterie. Nicht umsonst verbauen Tesla und Audi eine Akku-Heizung. Diese benötigt zwar einige kWh Strom, was der Lebensdauer des Akkus aber sehr zugute kommt. Auch tiefes Entladen schädigt die Batteriezellen, oder auch, den Akku immer ganz vollzuladen. Die Autohersteller beugen dem vor, in dem sie von der theoretisch verfügbaren Bruttokapazität nur einen Teil als Nettokapazität tatsächlich freigeben. Durch diese Beschränkung des Ladehubs per Software lässt sich die Dauerhaltbarkeit stark erhöhen.

Das Bild Ladezyklen stammt aus dem Kompendium: Li‐Ionen‐Batterien des VDE


DAS SECOND LIFE DER AKKUS


Wenn der Akku eines Elektroautos nach vielen Jahren schlussendlich auf 70% seiner Kapazität angelangt ist, ist er aber immer noch nicht als kaputt. Er wird noch jahrelang als stationärer Speicher weiterverwendet und dann erst recycelt. Das Osloer Bislett-Stadion beispielsweise (Bereicht heise.de) nutzt 9 Jahre alte Nissan Akkus, um bei Fußballspielen und Konzerten auftretende Bedarfsspitzen abfedern. Dieses sogenannte Peak Shaving spart Geld, denn norwegische Großabnehmer werden für diese Bedarfsspitzen von den Stromanbietern mit hohen Gebühren kräftig zur Kasse gebeten. Dadurch dass die Akkus in diesem Fall nur einmal täglich aufgeladen werden, verlieren sie pro Jahr maximal zwei Prozent ihrer Restkapazität. Damit könnten sie noch mindestens zehn Jahre arbeiten. Nissan selbst schätzt sogar, dass es mehr als 20 Jahre sind.

Auch die Fußball-Arena in Amsterdam nutzt alte Autoakkus. Insgesamt sind Batteriezellen mit einer Kapazität von 2,8 MWh verbaut, was der Batteriekapazität von 148 Nissan Leaf entspricht. Dieses Energiespeichersystem hilft dem Stadion seine selbsterzeugte nachhaltige Energie effizient zu nutzen und gleichzeitig dem Stromnetz verfügbare Speicherkapazitäten als Puffer anbieten.
Es gab in der Vergangenheit viele weitere interessante Projekte. 2016 starteten Bosch, Vattenfall und BMW im Hamburger Hafen ein Großprojekt mit mehr als 100 ausgedienten E-Auto-Akkus. Der Speicher hat eine Kapazität von zwei Megawatt und dient dazu, das Stromnetz kurzfristig zu stabilisieren und Schwankungen auszugleichen. Ein anderer Einsatzzweck sind lokale Stromspeicher industrieller Anlagen. Hier werden die Akkus dazu genutzt, den Strom eines an einem industriellen Betriebes angeschlossenen Windparks zu speichern, um diesen zu nutzen, wenn die Windkraft nicht genügend Strom liefert.

Ein anderes Projekt von Renault will die portogiesische Insel Porto Santo durch ein intelligentes Stromnetz zu einer “Elektroinsel” und damit komplett Autark machen. Dazu wird auch der vor Ort überschüssig erzeugte Ökostrom sowohl in den zunächst 20 eingesetzten E-Fahrzeugen, als auch in Second-Life-Speichern eingespeist, um sie bei Bedarf daraus wieder abzurufen. Die Insel hat etwa 42 Quadratkilometer Fläche und 6000 Einwohner. Auch als Pufferspeicher für Schnellladesäulen an Orten, wo kein Starkstromanschluss zu vertretbaren Kosten bereitgestellt werden kann, werden alte Autoakkus als Pufferspeicher inzwischen eingesetzt. Interessant ist für viele Hausbesitzer auch die Option, diese Akkus als Heimspeicher einzusetzen. Damit sind alte Fahrzeug-Akkus auch ein wichtiger Baustein der Energiewende.


FAZIT:


Lithiumakkus sind aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken und leisten einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Und sie sind heute schon fast vollständig recycelbar. Das größte Problem dabei ist im Grunde der Verbraucher selbst, der Akkus nicht zum Wertstoffhof bringt, sondern einfach im gewöhnlichen Hausmüll entsorgt. Weil das bei Autoakkus nicht so einfach funktioniert, kann man davon ausgehen, dass die große Mehrheit der Elektroautobatterien sachgemäß dem Recycling zugeführt werden wird. Die Entwicklung des modernen Elektroautos hat das Recycling von Lithiumakkus vorangebracht, denn durch neue, speziell für Autoakkus entwickelte Recycling-Technologien haben wir inzwischen die Möglichkeit, die Rohstoffe von Lithiumakkus fast vollständig wieder zurückzugewinnen und immer und immer wieder neu zu verwenden, während Erdöl für Verbrenner-Autos einmal genutzt, unwiderbringlich verbrannt ist. Man darf auch nicht vergessen: Dadurch, dass die Haltbarkeit der Akkus von Elektroautos (sowie auch des Antriebsstranges) heutzutage so gut ist, ist ein Elektroauto ressourcenschonender als ein Verbrennerauto und stösst schon heute, trotz aufwändig hergestelltem Akku und trotz derzeitigem Strommix (der allerdings jedes Jahr besser wird), über sein Autoleben nur noch halb so viel Co2 aus wie ein Verbrenner. Aber das ist ein anderes Thema.

Nachhaltig Leben

© Alle Rechte vorbehalten