Recycling von E-Bike-Akkus: Schwerpunkt E-Mobilität und Umweltschutz
Das Akku-Recycling-ABC
Recycling von E-Bike-Akkus: Schwerpunkt E-Mobilität und Umweltschutz
in Allgemein
Fast eine Million Elektroräder sind 2018 in Deutschland verkauft worden. Das bedeutet auch: Knapp eine Million Stück oder rund 3000 Tonnen Lithium-Ionen-Akkus. In Rohstoffen ausgedrückt hängen allein an den 2018er E-Bikes insgesamt 60 Tonnen Lithium, 480 Tonnen Elektrolyt, 210 Tonnen Cobalt, 180 Tonnen Nickel, ebenso viel Mangan und 2370 Tonnen weitere Rohstoffe – nur in den Akkus. Das alles muss aufwändig gewonnen und verarbeitet werden. Noch viel mehr Rohmaterial steckt in den Energiespeichern für E-Autos, außerdem in Handys, Bohrmaschinen und anderen Elektrokleingeräten. Prognose: Rasant steigend. Akku-Recycling wird und muss in Zukunft deutlich an Relevanz gewinnen. Denn Akkuproduktion und Rohstoffgewinnung sind sehr energieintensiv.
Das Umweltbundesamt beziffert die Treibhausgasemissionen, die bei der Batterieherstellung entstehen, mit 55 bis 75 Kilogramm CO2-Äquivalent pro Kilowattstunde Speicherkapazität. Duesenfeld etwa verspricht, eine Batterie aus recycelten Rohstoffen verbrauche bei der Produktion etwa 40 Prozent weniger Energie als Zellen, die aus Primärrohstoffen hergestellt werden (mehr dazu in der ElektroRad 1/2020). Oder umgerechnet auf Elektroautos: Ein Fahrzeug mit Recyclingbatterie fahre ab einer Gesamtfahrleistung von 89.000 Kilometern effizienter als ein Diesel. Ein Elektroauto mit aktueller Batterietechnik erreicht diesen so genannten Break Even erst bei 124.000 Kilometern.
Wir haben im Akku-Recycling-ABC unter einschlägigen Stichpunkten das Wichtigste zum Thema zusammengetragen.
Akkuarten
In den aktuellen Pedelecs kommen in Deutschland fast ausschließlich Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Das liegt an der geringen Selbstentladung, der Stabilität und Sicherheit und an der recht hohen Energiedichte. Das einzige noch relevante Alternativsystem ist der Nickelmetallhybrid-Akku.
Die sehr schweren Blei-Säure-Akkus sind ebenso ausgestorben wie die inzwischen verbotenen Nickel-Cadmium-Akkus.
Aufbau
Ein E-Bike-Akku besteht streng genommen aus vielen kleinen Akkus, den so genannten Zellen. Darin spielt sich in vielen Schichten der Energieaustausch ab. Auf Aluminiumfolie ist die positive Kathode aufgebracht, die aus einem Lithium-Metalloxid besteht. Die negative Anode auf Kupferfolie besteht aus Grafit. Wird der Akku geladen, wandern Lithium-Ionen zur Anode und lagern sich im Grafit an. Gibt der Akku Energie ab, geht es für die Lithium-Ionen retour.
Der bestmögliche Transport geschieht in einer hochreinen – und hochbrennbaren – Elektrolytflüssigkeit. Damit es keinen Kurzschluss gibt, trennt eine Separatorfolie Anode und Kathode. Nur die Lithium-Ionen können diese Folie durchdringen.
CO2-Äquivalent: Emissionen werden auf die klimawirksamen Einflüsse des CO2 umgerechnet.
CO2-Äquivalent
CO2-Äquivalent ist eine Maßeinheit, um den Schadstoffausstoß vergleichbar zu machen. Alle Emissionen werden dafür auf die klimawirksamen Einflüsse des Kohlenstoffdioxids umgerechnet.
Bei der Produktion eines 1-kWh-Lithium-Ionen-Akkus entstehen also nicht 55 Kilogramm CO2, sondern eine Vielzahl unterschiedlicher Schadstoffe, die zusammen so klimaschädlich ist wie 55 Kilogramm CO2.
Effizienz
Derzeit sind Lithium-Ionen-Akkus die effizientesten Stromspeicher für E-Mobilität. Keine andere Technik hat eine ähnlich hohe Energiedichte, Ladestabilität und Langlebigkeit. Herstellung und Recycling aber sind energieintensiv. „Es ist immer noch eine junge Technik“, sagt Axel Strobelt vom Umweltbundesamt (UBA).
Die Industrie forsche daher intensiv an mehr Effizienz. Für das UBA aber ist der Lithium-Ionen-Akku nur eine Übergangstechnik hin zur Brennstoffzelle.
Duesenfeld setzt das hydrometallurgische Verfahren auf Projektebene ein.
Hydrometallurgisches Recycling-Verfahren
Beim hydrometallurgischen Verfahren werden die Batterieblöcke zuerst demontiert. Die Hüllen – oft aus Aluminium, Kunststoff oder Stahl – gehen ins konventionelle Recycling. Die Akkuzellen werden geschreddert, die einzelnen Bestandteile stofflich getrennt.
Am Ende bleibt ein schwarzes Pulver, in dem die wertvollen Rohstoffe stecken. Das Pulver lässt sich mit Lauge behandeln, so lassen sich die unterschiedlichen Elemente herauslösen. Dieses Verfahren ist deutlich weniger energieintensiv als das pyrometallurgische Verfahren. Es lässt sich aber derzeit noch nicht industriell einsetzen.
Klimabelastung der Akku-Herstellung
Das Umweltbundesamt beziffert die Klimabelastung von Herstellung und Entsorgung eines 1000 Wh-Lithium-Ionen-Akkus derzeit mit etwa 55 Kilogramm CO2-Äquivalent. Gängige E-Bike-Akkus erzeugen also rund 27,5 Kilogramm CO2-Äquivalent bei 500 Wh Kapazität. In einer vereinfachten Rechnung kommt das UBA zum Ergebnis, dass sich die Herstellung eines Pedelecs für die Umwelt schon sehr früh auszahlt.
Nämlich dann, wenn 165 Kilometer statt mit dem Auto mit dem E-Bike zurückgelegt werden. Jeder Kilometer mehr komme der Umwelt direkt zugute. Zum Vergleich: Ein Flug von Frankfurt nach New York verursacht laut der Kompensationsplattform atmosfair rund 3800 Kilogramm CO2-Äquivalent – pro Person!
Ladezyklen
Nach etwa 1000 Ladezyklen hat ein Lithium-Ionen-Akku laut UBA noch 80 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität. Das Batterie-Montage-Zentrum (BMZ), Akkuhersteller aus Karlstein bei Aschaffenburg, geht bei seinen E-Auto-Batterien sogar von bis zu 4000 Zyklen aus. Das BMZ verbaut darin die gleichen in Asien produzierten Zellen wie in seinen E-Bike-Akkus.
Unter 80 Prozent Restkapazität lohne sich der Einsatz in Elektromobilen nicht mehr. Anschließend sei eine Wiederverwertung möglich, der Second-Life-Use mit weiteren etwa 4000 Ladezyklen.
Am Ende wird der Akku fürs Recycling geshreddert. Zumindest bei Duesenfeld.
Nutzungsdauer
Die Haltbarkeit und somit die Nutzungsdauer hängen maßgeblich von den Ladezyklen ab. Jeder Pedelec-Fahrer kann die Lebensdauer seiner Akkus aber positiv beeinflussen. So sollten Akkus möglichst leer gefahren und dann in einem Vorgang wieder aufgeladen werden. Frost und direkte Sonneneinstrahlung seien zu vermeiden.
Lagern Sie ihren Akku mit etwa 30 bis 40 Prozent Kapazität und bei Zimmertemperatur. Je länger ein Akku hält, desto besser seine Ökobilanz. Gleiches gilt beim Laden: Am umweltfreundlichsten ist Ökostrom.
Pfand und Recycling
Immer wieder fordern Entsorger ein Pfandsystem für Altbatterien, insbesondere für große Akkupacks. Hersteller BMZ sieht aber gerade bei Batterien ab der Größe von E-Bike-Akkus wenig Probleme: „Sie gelten als Industrie-Akkus. Aus der Erfahrung heraus werden davon ohnehin fast keine illegal entsorgt“, berichtet BMZ-Sprecher Christian Adamczyk.
Die Rückgabekette arbeite hier reibungslos. Problematischer seien Akkus, die fest in Elektrokleingeräte verbaut werden. Davon landeten deutlich mehr im Hausmüll.
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Pyrometallurgisches Recyclingverfahren
Beim pyrometallurgischen Verfahren werden die Batterieblöcke zuerst demontiert. Die Hüllen gehen wie beim hydrometallurgischen Verfahren ins konventionelle Recycling. Die einzelnen Akkuzellen werden in einem Hochofen bei starker Hitze geschmolzen. Daraus lassen sich vor allem Kobalt, Kupfer und Nickel zurückgewinnen. Diese Methode ist sehr energieintensiv. Im Abfallprodukt, einer Schlacke, steckt das Lithium als Lithiumcarbonat.
Das ist für die Akkuproduktion aber nicht annähernd rein genug. Darum wird die Schlacke vor allem im Straßenbau als Füllmaterial verwendet. Sie gilt somit als wiederverwertet. Entsprechend hoch sind auf dem Papier die Recyclingquoten.
Zumindest im Labor gewinnt Duesenfeld für Akkus wiederverwendbares Lithium.
Recyclingeffizienzen
Wie viele E-Bike-Akkus bisher recycelt sind, ist nicht bekannt. Die Zahlen von 2017 sagen aber aus, dass 2211 Tonnen Lithium-Ionen-haltige Akkus ins Recycling wanderten – darunter auch Akkus von Elektrokleingeräten, Knopfzellen und ähnliche Batterien. Gleichzeitig sind 20.000 Tonnen weltweit in Umlauf gebracht worden.
Das lässt nicht unmittelbar auf die Rücklaufquote schließen. Das Umweltbundesamt geht davon aus, dass viele ihre kleinen und kleinsten Lithium-Ionen-Akkus etwa aus Bluetooth-Kopfhörern und ähnlichen Kleingeräten teils immer noch über den Hausmüll entsorgen. Das ist aber illegal. Denn das Batteriegesetz schreibt vor, dass Batterien und Akkus getrennt vom Hausmüll einer separaten Sammlung zuzuführen sind.
In der Salar de Uyuni liegt eines der größten bekannten Lithium-Vorkommen der Erde. In Südamerika gibt es wegen der Lithium-Gewinnung immer wieder Unruhen.
Rohstoffabbau
Problematisch sind vor allem die Rohstoffe Lithium und Kobalt. Lithium wird unter anderem in sehr trockenen Regionen unter Verwendung von viel Wasser gewonnen; etwa in der Atacama-Wüste in Südamerika. Die Wasserentnahme schadet vor allem der indigenen Bevölkerung der Region, berichtet etwa Brot für die Welt.
Es kommt immer wieder zu Aufständen gegen die Minen-Betreiber. Kobalt kommt unter anderem in der Demokratischen Republik Kongo vor, wird dort auch illegal und von Kindern abgebaut. Zwar kommt ein Großteil des Kobalts aus zumindest auf dem Papier sauberen Quellen. Eine lückenlose Dokumentation oder gar ein Zertifizierungssystem für faire Rohstoffe in der Akkuproduktion gibt es aber nicht.
Rücknahme und Recycling
Die Rücknahme der Akkus ist im Batteriegesetz geregelt. So muss jeder Pedelec-Händler E-Bike-Akkus zurücknehmen, auch Baumärkte und Supermärkte, wenn sie E-Bikes verkaufen. Von dort gehen die Akkus an die Fahrradhersteller, weiter zu den Akku-Produzenten wie etwa dem BMZ.
Diese führen die Batterien schließlich über Entsorgungsunternehmen dem Recycling zu. Niemals dürfen Akkus im Hausmüll entsorgt werden. Wertstoffhöfe nehmen Pedelec-Akkus an, wenn sie zur Rücknahme von Industriebatterien berechtigt sind.
Schwermetalle
Lithium-Ionen-Akkus enthalten gefährliche und im Batteriegesetz geregelte Schwermetalle. Der Anteil ist aber sehr gering und liegt sehr deutlich unter den Grenz- und Kennzeichnungswerten. Pro Kilogramm Akku enthalten Li-Ionen-Akkus im Schnitt 0,7 Milligramm Quecksilber, 0,5 Milligramm Cadmium und 7,6 Milligramm Blei.
Insgesamt also 0,0000088 Kilogramm. Der Kennzeichnungswert bei Blei liegt beispielsweise bei 40 Milligramm, also mehr als fünfmal so hoch wie der tatsächlich gemessene Durchschnittswert.
Schadstoffe
Viele Bestandteile der Akkus sind umwelt- und gesundheitsschädlich. Einige der verwendeten Metallmischoxide etwa sind reizend und möglicherweise krebserregend. Auch die Elektrolytsalze sind gesundheitsgefährdend, außerdem hochbrennbar.
Darum sollten Laien niemals die Akkus öffnen oder daran herumexperimentieren. Intakt sind Akkus gesundheitlich unbedenklich.
Second-Life-Use
Als Second-Life-Use – deutsch Zweitverwertung – bezeichnet die Branche ehemalige E-Bike- und E-Auto-Akkus in stationären Systemen.
Alte Akkuzellen werden etwa als Zwischenspeicher in der Stromproduktion verwendet. Dazu demontieren die Hersteller die Akkus und fügen die Zellen zu neuen Speicherblöcken zusammen.
Sicherheit beim Akku-Reycycling
Lithium-Ionen-Akkus gelten als sicher. Das bekräftigen das Umweltbundesamt und die Hersteller unabhängig voneinander. Es besteht bei diesen Akkus zwar tatsächlich die Gefahr einer Selbstentzündung. „Sie liegt aber bei unbeschädigten Akkus praktisch bei null“, so Christian Adamczyk vom Batterie-Hersteller BMZ.
Der Mythos vom plötzlich brennenden Akku entbehre jeglicher Realität. „Solange die Akkus nicht beschädigt sind oder Nutzer an ihnen experimentieren, entzünden sie sich nicht.“ Entsprechend schonend sollte mit den Akkus hantiert werden.
Zertifizierung
Für Akku-Rohstoffe existieren keine Zertifizierungen etwa nach Umwelt- oder Fair-Trade-Standards. Lediglich für Aluminium sei ein Fair-Mining-Siegel geplant. Die EU wolle aber ihre Ökodesign-Richtlinie um Lithium-Ionen-Akkus erweitern. Gibt es entsprechende Vorgaben für Akkus, muss der gesamte Lebenszyklus dokumentiert werden; von der Rohstoffgewinnung bis zur endgültigen Versorgung. Einen Zeitplan zur Umsetzung aber gebe es derzeit noch nicht.
Zukünftige Entwicklung beim E-Bike-Akku-Recycling
Das Umweltbundesamt wünscht sich, dass in Zukunft der größte Teil der Lithium-Ionen-Akkus aus Sekundärrohstoffen, also Recyclingmaterial hergestellt wird. Die Zahlen sprechen aber dagegen, denn die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkus und deren Rohstoffen wächst. Die deutsche Rohstoffagentur schätzt den Bedarf etwa an Kobalt für 2026 auf 49.000 bis 52.000 Tonnen, wobei gerade einmal rund 10.000 Tonnen recyceltes Kobalt verfügbar sind. Nach aktuellem Stand der Technik kann vom erwarteten Lithium-Bedarf kein einziges Gramm über Recycling gedeckt werden.
Dieser Artikel erschien erstmals in der ElektroRad 1-2020
