Elektroautos, Stromspeicher, Haushaltsgeräte, Handys … All diese Geräte werden inzwischen mit Akkus betrieben. Statt wie früher, mit Batteriefach oder Kabel, verfügt eine Vielzahl elektronischer Geräte heutzutage über einen eingebauten Stromspeicher. Allerdings haben auch Akku-Systeme eine begrenzte Lebenszeit. Irgendwann nimmt die Leistung auf Grund physikalischer Prozesse ab. Dieses als Degradation bezeichnete Phänomen kennt praktisch jeder von seinem Smartphone. Sie hat zur Konsequenz, dass die Kapazität, also die Menge des speicherbaren Stroms, immer weiter abnimmt.
Was geschieht aber mit Akkus, die nicht mehr die volle Leistung bringen und daher zumindest für den ursprünglichen Einsatzbereich nicht mehr taugen? Für diesen Fall haben die Gesetzgeber im Bundestag und auf EU-Ebene vor einigen Jahren detaillierte Vorschriften erlassen, wie damit zu verfahren ist. Das Recyling der Akku-Systeme ist zentraler Bestandteil dieser Verfahren.
- Die Geschichte des wiederaufladbaren Stromspeichers
- Die Bestandteile des Lithium-Ionen-Akkus
- Das Akku-Gesetz mit Recycling-Pflicht
- Was passiert mit ausrangierten Akkus?
- Recycling steckt noch in den Kinderschuhen
- Das Recycling von Akkus ist verpflichtend und funktioniert
Die Geschichte des wiederaufladbaren Stromspeichers
Ein Akku ist ein Stromspeicher, der immer wieder aufgeladen werden kann. Lithium-Ionen-Akkus unterteilen sich in mehrere verschiedene Typen, die in ihrem chemischen Aufbau variieren. Bei allen sind die Zellen gasdicht versiegelt und sie funktionieren lageunabhängig. Außerdem gemein ist allen Akkus, dass ihre Zellen keine Überladung verkraften, weshalb Hersteller hier zusätzlich mit Batteriemanagementsystemen (BMS) und Balancern arbeiten.
Erste Forschungen zu Akkus gab es bereits in den 1970ern. Im Jahr 1991 schließlich brachte Sony den ersten Lithium-Ionen-Akku auf den Markt, eingesetzt in der Hi8-Videocamera CCD TR1. Eine große Erfindung, für die die drei Wissenschaftler John Goodenough aus den USA, Stanley Whittingham aus Großbritannien und Akira Yoshino aus Japan nach jahrzehntelanger Forschung im Jahr 2019 den Chemie-Nobelpreis erhielten.
Bis heute ist viel passiert. Mittlerweile finden wir Akkus in nahezu allen tragbaren elektrischen Geräten. Im Handy natürlich, in Notebooks, in Digitalkameras aber eben auch in allen Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben: Autos, Motorrollern, Rollern, Pedelecs. Während das Thema beim Hype um neue Smartphones und die beste Digitalkamera nur wenige Gemüter erhitzt – denn auch hier ist ihre Lebenszeit ja begrenzt und sie landen im Wort-Case in der Mülltonne – äußern bei E-Rollern oder Elektroautos etwas mehr Kritiker Bedenken. Grund: Hier kommen weitaus größere Akkus zum Einsatz, d.h. die Menge potenziellen Elektroschrotts wächst nun schneller. Und sie wird weiter wachsen, denn Akkus werden in immer mehr Verkehrsmitteln wie Bussen, Fähren und sogar Flugzeugen eingesetzt.
Die Bestandteile des Lithium-Ionen-Akkus
Das Grundelement der Akkus ist, wie der Name schon sagt, das Alkalimetall Lithium. In Deutschland wird es aktuell nicht gefördert, aber es gibt Vorkommen zum Beispiel im Oberrheingraben. (1) Der Großteil des weltweit verwendeten Lithiums stammt aus Südamerika, genauer aus einem Länderabschnitt zwischen Argentinien, Chile und Bolivien. Es gibt auch Lithium in Tibet, Nevada (USA) oder Australien. Aber nirgendwo findet man das Metall in Mengen wie in Südamerika, zum Beispiel im Salar de Atacama. Zuerst wird es hier in gelöster Form mit Pumpen an die Oberfläche geholt und in Solarteiche gepumpt, wo es durch die Höhensonne schnell trocknet und kristallisiert. Erst dann kann es weiterverarbeitet werden. Lithium kommt allerdings nicht nur in Akkus zum Einsatz. Ein Großteil geht bisher in die Glas- und Keramikindustrie, dicht gefolgt von der Anwendung in Akkus. Außerdem ist es in Klimaanlagen, in Schmiermitteln oder in Kunststoffen enthalten.
Neben Lithium braucht man zur Herstellung der Akkus Graphit, das zum Beispiel auch für Bleistiftminen oder als Verkleidung von Industrieöfen verwendet wird. Der größte Teil des weltweit gewonnen Graphit geht allerdings tatsächlich in Elektroden, weshalb der Bedarf in den letzten Jahren enorm gestiegen ist – so sehr, dass in Deutschland eine Mine zum Abbau von Graphit wiedereröffnet wurde. Das Meiste, über 95% der Graphit-Produktion kommen aus Indien, Kanada, Brasilien, Nordkorea, Rumänien und China. Zum Einsatz in Akkus muss das Graphit einen Reinheitsgrad von 99.9% aufweisen. Vom Feinsten also.
Der Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus ist schichtartig und er besteht aus einer oder mehreren Batteriezellen. Die zentralen Schichten einer Zelle sind die negative Graphit-Elektrode und die positive Lithium-Metalloxid-Elektrode. Dazwischen befindet sich ein Separator und zum Leiten der Ionen nicht-wässriges, aber flüssiges Elektrolyt.
Die Kathode liegt zur Ableitung des Stroms auf einer Folie aus elektrisch gut leitfähigem Aluminium, die Anode auf einer Folie aus Kupfer. Ein Metallkontakt verbindet Plus- und Minuspol während des Ladevorgangs, so entsteht die elektrische Spannung.
Das Akku-Gesetz mit Recycling-Pflicht
Es gibt in Deutschland ein Gesetz, wie mit Akkus über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu verfahren ist – das Gesetz über das Inverkehrbringen, die Rücknahme und die umweltverträgliche Entsorgung von Batterien und Akkumulatoren. Dieses Gesetz regelt sehr präzise, wie nicht mehr funktionierende Lithium-Ionen-Akkus behandelt werden müssen. Zum Beispiel sind die Hersteller von entsprechenden Produkten laut §5 zur kostenfreien Rücknahme und gesetzeskonformen Verwertung verpflichtet. Auch von solchen, die in Elektroautos verbaut oder von der städtischen Müllabfuhr eingesammelt wurden.
Natürlich schreibt der Gesetzgeber in Deutschland außerdem vor, wie die zurückgenommen und eingesammelten Batterien zu verwerten sind. In §14 heißt ganz klar: „Alle gesammelten und identifizierbaren Altbatterien sind nach dem Stand der Technik zu behandeln und stofflich zu verwerten.“
Das Gesetzbuch schreibt noch vieles mehr, auf das wir hier im Detail nicht eingehen. All das steht im Einklang mit den entsprechenden EU-Richtlinien. In Kürze: Die stoffliche Wiederverwertung von Akkus ist klipp und klar geregelt. Das alte Batteriegesetz hatte noch erhebliche Lücken und wurde darum 2009 von einem neuen abgelöst. Auch das hat der Gesetzgeber im Sommer 2017 nochmals aktualisiert – 2022 soll eine weitere Überarbeitung anstehen. Wem das Gesetzt zu lang ist, der findet hier die Kurzversion und noch mehr Informationen zum Thema.
Was passiert mit ausrangierten Akkus?
Akkus leben nur eine gewisse Zeit lang, je nach Gebrauch lässt ihre Leistung nach. Solange wir Akkus nur in Handys oder Notebooks mit uns herumgetragen haben, war die Entsorgung weniger problematisch. Die Akkus waren klein, die Mengen überschaubar. Jetzt, wo die Elektromobilität auf dem Vormarsch ist und Autos mit großen Mengen an Akkus ausgestattet werden, stellt sich nicht zu Unrecht die Frage, wie diese Mengen denn umweltkonform recycelt werden sollen. Denn so viele Akkus wie da kommen mögen, können die aktuell bestehenden Recyclinganlagen in Deutschland nicht abdecken. Noch nicht.
Was viele nicht wissen: Ein Akku, der im Elektroauto ausgedient hat, wandert nicht gleich ins Recycling. Er tritt ein zweites Leben als stationärer Energielieferant an und das für eine ganze Zeit lang. Nach 1.500 bis 2.500 Ladezyklen verbleibt immer noch ein Energieinhalt von 70 bis 80 Prozent – gar nicht so schlecht eigentlich. Das Akkuleben als stationärer Speicher ist dazu weitaus entspannter als das im Auto, die Ladezyklen gleichmäßiger und damit schonender. Rund 10 bis 12 Jahre kann ein Akku so noch weiterlaufen.
Ein Beispiel, wie dieses zweite Leben (second life) aussehen kann, ist das BMW-Werk in Leipzig, in dem 700 zusammengeschaltete Akkus im stationären Betrieb sind. Das Unternehmen nutzt die ausgedienten Akkus, um den am Werk erzeugten Solar- und Windstrom zu speichern und verwendet ihn dann für die eigene Produktion.
Auch private Haushalte können sich theoretisch ausgediente Akkus zunutze machen. Hier kommt immer wieder die Frage auf, wie selbst gewonnener Sonnen- oder Windstrom gespeichert werden kann. Ein einziger Akku mit 20 kWh reicht als Puffer für einen Familienhaushalt aus. Wenn die Mittagssonne also vom Himmel strahlt, aber niemand zuhause ist, um den Strom zu nutzen, könnten Akkus den Strom speichern und später auf Abruf abgeben. Eigentlich gut, oder?
Recycling steckt noch in den Kinderschuhen
Das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus steckt noch in den Kinderschuhen. Das liegt auch daran, dass es noch nicht so viele Akkus gibt, die recycelt werden müssen. Das wird erst in ein paar Jahren der Fall sein. Aber es gibt zahlreiche Unternehmen, die sehr erfolgreich Akkus bis in ihre kleinsten Kleinteile zerlegen, damit die wertvollen Rohstoffe wiederverwertet oder eben umweltkonform entsorgt werden können. Wir stellen einige Ansätze hier vor:
Umicore
Das belgische Unternehmen Umicore gehört zu den größten Anbietern für Recycling von Batterien in der EU. Jährlich werden hier 7.000 Tonnen Batteriematerial der Wiederverwertung zugeführt. Hierzu wird das Batteriesystem zuerst entladen und in seine Einzelteile zerlegt. Anschließend wandern die Metallbestandteile bei 1.000 bis 1.400 Grad in den Ofen, bis sie eine Legierung bilden. Anhand ihrer unterschiedlichen Dichten und Schmelzpunkte lassen sich die Metalle dann trennen und separiert aufbereiten. Während das Lithium hier anfangs noch durchs Raster fiel und lediglich Kobalt und Nickel sauber herausgefiltert werden konnten, extrahiert das Unternehmen das Lithium mittlerweile aus der Schlacke, so dass es sich wiederverwerten lässt. Vorsicht ist dennoch geboten, denn bei der Verbrennung von Elektrolyten entstehen Fluorgase, die erst durch eine spezielle Abgaswäsche müssen.
Duesenfeld
Bei Braunschweig verfolgt das Unternehmen Duesenfeld einen anderen Ansatz, bei dem es gelingt, 96% der Akku-Bestandteile zu recyceln – auch das Elektrolyt. Hierzu verbindet das Unternehmen mechanische, thermodynamische und hydrometallurgische Prozesse und versucht so, vom bisherigen Einschmelzen der Batterien wegzukommen. Duesenfeld schreddert sämtliche Bestandteile, Stickstoff verhindert, dass dabei nichts anbrennt. Das geschredderte Material wird anschließend in Graphit, Mangan, Nickel, Kobalt und Lithium getrennt und ist fertig für die Wiederverwertung. Duesenfeld spart mit seiner Herangehensweise im Vergleich zu anderen Verfahren 4,8 Tonnen CO2 pro Tonne recycelter Batterien ein.
Fraunhofer IWKS
Das Fraunhofer Institut arbeitet seit 2018 an einem anderen Ansatz. Im Rahmen des Projekts „Automotive Battery Recycling 2020“ wollen die Forscher die gesamte Recyclingkette verbessern, sodass alle wesentlichen Rohstoffe zurückgewonnen und direkt wiederverwertet werden können. Hierzu gehen die Akkus erst einmal baden. Durch eine provozierte Entladung kommt es zu einer Schockwelle, die die einzelnen Bestandteile nach und nach trennt. Gehäuse, Elektrodenfolien, Separatoren, Nickel, Kobalt und Mangan werden im Anschluss durch gängige Verfahren wie Sieben und Flotationen separiert und sind fertig zur Wiederverwendung.
Das Recycling von Akkus ist verpflichtend und funktioniert
Es gibt noch weitere Ansätze zum Recycling von Akkus und es werden in Zukunft sicherlich auch noch mehr Unternehmen Verfahren entwickeln, wie die potenzielle Menge an Lithium-Ionen-Batterien bewältigt werden kann. Aktuell befindet sich der Großteil der jemals produzierten Batterien noch in Elektroautos oder in der Zweitverwertung. Ob etwas Komplexes wie ein Lithium-Ionen-Akku in einem unkomplizierten Verfahren recycelt werden kann muss man sehen. Die dargestellten Ansätze sind arbeitsaufwendig, aber deswegen nicht weniger effizient. Jedenfalls steht fest, dass ebenso wie bei Photovoltaikmodulen auch bei Akkusystemen das Recycling gesetzlich geregelt ist und inzwischen Verfahren existieren, die das sicherstellen. Durch den verstärkten Einsatz von erneuerbaren Energien in diesen Recyclingprozessen lässt sich somit eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft organisieren.
