Wie in diesem Artikel beschrieben, beschleunigen soziale, ökologische und wirtschaftliche Faktoren die Entwicklung der Wirtschaft zu Kreislaufmodellen, der Kreislaufwirtschaft. In diesem Artikel sehen wir uns potenzielle Geschäftsmodelle für Akteure im Automobilsektor an einem konkreten Beispiel genauer an, und zwar im Zusammenhang mit dem Lebenszyklus von Antriebsbatterien für Autos.

Die Notwendigkeit, die Freisetzung von Treibhausgasen (Engl. Greenhouse Gas, GHG) in die Atmosphäre weltweit zu reduzieren, sowie der zunehmende Bedarf an individueller und nachhaltiger Mobilität sind nur zwei von vielen aktuellen Herausforderungen für die Automobilindustrie. Die Herausforderungen führen dazu, dass Hersteller und Direktzulieferer im Fahrzeugbau ihre Unternehmen nur dann auf Dauer absichern können, wenn sie vom konventionellen Verbrennungsmotor (Internal Combustion Engines, ICEs) auf andere Technologien umsteigen. Ein Ansatz zur Problemlösung ist die Reduzierung der durch die verwendeten Antriebe verursachten Emissionen. Batterieelektrische Fahrzeuge (Engl.: Battery Electric Vehicles, BEV), Brennstoffzellen (BZ) und Power-to-Gas (PtG) sind vielversprechende Kandidaten unter den Technologien, die helfen könnten, dieses Ziel zu erreichen. Dieser Blogbeitrag gibt einen Überblick über die aktuellen Entwicklungen mit besonderem Schwerpunkt auf BEVs und diskutiert eine der größten Hürden für elektrische Fahrzeuge genauer: den Lebenszyklus der verwendeten Energiespeicher für den Antrieb.

Reduktion von Treibhausgasen im Transportwesen: Entwicklungen

Über die letzten Jahrzehnte wurden verschiedene Maßnahmen eingeführt, um die Effizienz von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu erhöhen. Die Kurve dieser Effizienzsteigerung flacht jedoch immer weiter ab, so dass nennenswerte Optimierungen in der Antriebsentwicklung kaum noch realistisch erscheinen. Zusätzlich verstärkten neue Gesetze in Bezug auf Verbrennungsmotoren den Druck, THG-Emissionen zu reduzieren. Dadurch eröffneten sich in den letzten Jahrzehnten Möglichkeiten für neue Technologien. Derzeit gibt es drei vielversprechende Technologien, die die Nachhaltigkeit sowohl im privaten Kfz-Verkehr als auch in Transport und Logistik mit Lkw und Bussen deutlich steigern werden:

  1. Das Batterieelektrische Fahrzeug: ein Konzept, bei dem Batterien (in der Regel Lithium-Ionen-Batterien) genutzt werden, um elektrische Energie zu speichern, die wiederum Elektromotoren antreibt.
  2. Brennstoffzellen in Elektrofahrzeugen (FCEV): Bei diesem Ansatz wird mithilfe von elektrochemischen Prozessen in einer Brennstoffzelle ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff in Elektrizität umgewandelt. Für diese Art von Antrieben wird typischerweise Wasserstoff (H2) verwendet.
  3. Power-to-Gas (PtG oder P2G): Bei dieser Methode wird nachhaltig generierte Elektrizität mithilfe elektrochemischer Prozesse in Brenngase wie Methan oder Wasserstoff umgewandelt, die wiederum Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen antreiben.

Wasserstoff kann sowohl in Brennstoffzellen als auch in PtG-Motoren zum Einsatz kommen. Die oben genannten Methoden bieten viele technologische Vorteile, und einige große Hersteller wie BMW und Hyundai investieren bereits in entsprechende Entwicklungs- und Produktionsanlagen. Hyundai geht beispielsweise davon aus , dass die Preise für Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb bis 2030 denen von Verbrennern entsprechen werden. Die Möglichkeiten, die derzeit für PtG untersucht werden, liegen hauptsächlich im Bereich der Schwerlastantriebe, z. B. für Lkw, Busse, Züge, Flugzeuge und Schiffe und weniger im Kfz-Bereich. Zwar bieten Brennstoffzellen und PtG-Antriebe auf Wasserstoffbasis einige Vorteile, doch müssen für eine flächendeckende Nutzung zunächst noch (technologische) Hürden überwunden werden. Dazu gehören zum Beispiel die Kosten für die Produktion entsprechender Fahrzeuge, die technologische Reife, Kraftstoffkosten und Rentabilität. Eine ausführliche Erläuterung der weiteren Barrieren finden Sie bei Trencher et. al. 2021 (pdf).

Batterieproduktion

Während sich die Zahl der angemeldeten Fahrzeuge mit Brennstoffzellen 2020 weltweit nur in den Zehntausenden bewegte, lag sie bei den angemeldeten BEVs bei rund 6,5 Millionen. Die Massenproduktion von Batterien erfolgt im kurz- bis mittelfristigen Rahmen. Daher konzentrieren wir uns in diesem Artikel auf BEVs.

Um den absehbaren Anstieg in der Nachfrage nach Batterien bedienen zu können, wurden in Europa, vor allem in Deutschland, verschiedene große Projekte im Bereich der Batterieherstellung angestoßen.

Tabelle 1 zeigt die Produktionskapazitäten für Autobatterien Anfang 2021.

Region Länder Energie [GWh]
Deutschland Deutschland 312 GWh
Osteuropa Polen, Slowakei, Ungarn 145 GWh
Nordeuropa Norwegen, Schweden 104 GWh
Südwesteuropa Spanien, Frankreich 72 GWh
Großbritannien Großbritannien 65 GWh
Gesamt ~ 700 GWh

Tabelle 1: Überblick über die Produktionskapazitäten (Auszug von Anfang 2021)

Eine Übersicht über die verschiedenen Produktionswerke und ihre Standorte findet sich in Abbildung 1.

Overview production sites in europe
Abbildung 1: Übersicht über die Produktionsstandorte in Europa (Auszug von Anfang 2021)

Herausforderungen rund um BEVs und die Wertschöpfungskette ihrer Komponenten

Autofahrer sind an eine flächendeckende Verfügbarkeit von Tankstellen und kurze Tankzeiten gewöhnt. Die potenzielle Verfügbarkeit schneller Lademöglichkeiten ist daher ein wichtiger Punkt bei der erfolgreichen Einführung alternativer Antriebe. Aus Kundensicht gibt es bei BEVs drei große Hürden, wegen derer sie sich kurzfristig nur schwer als ernstzunehmende Konkurrenz für Verbrennungsfahrzeuge etablieren werden:

  • verfügbare Ladeinfrastruktur (d. h. die Zahl der (Schnell-)Ladestationen, die Netzkapazität)
  • Reichweite der Fahrzeuge
  • konkurrenzfähige Preise

Obwohl ein BEV-Antrieb weniger komplex ist als ein Verbrennungsmotor und ohne wichtige Elemente (z. B. Getriebe und Gangschaltung) des Verbrennungsmotors auskommt, ist die Produktion von BEVs im Vergleich zu Verbrennern noch relativ teuer. Dies ist hauptsächlich auf die Kosten durch Abbau und Verarbeitung der Rohstoffe sowie die Gesamtproduktionskosten für die Energiespeicherung zurückzuführen. Da, relativ gesehen, Innenraum und Karosserie der Fahrzeuge gleichbleiben, liegt der Schwerpunkt darauf, einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen, indem erschwingliche Batterien mit immer größerer Kapazität produziert und während der Produktionsschritte Emissionen für das Endprodukt und die benötigten Materialien reduziert werden.

Lebensdauer von BEVs

Eine Möglichkeit, die GHG-Emissionen eines Antriebs während der Nutzungsdauer insgesamt zu reduzieren, besteht darin, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Dies wiederum lenkt den Fokus auf Aftermarket-Prozesse und das Thema Wartungsfreundlichkeit. Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird die Wertschöpfungskette im Bereich BEV immer komplexer, weil es immer wichtiger wird, Komponenten und Rohstoffe wiederzuverwenden. In der Vergangenheit wurden gebrauchte Verbrennungsfahrzeuge gewartet und nach Möglichkeit wiederverkauft, bevor irgendwann am Ende ihrer Lebensdauer noch vorhandene, eher geringwertige Komponenten und Ressourcen rückgewonnen wurden. Nun entsteht der Markt für gebrauchte BEVs gerade erst. Der Wert, der in BEVs verbauten Ressourcen für den Energiespeicher, ist allerdings deutlich höher, und diese sind schwieriger wiederzugewinnen als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Ein entsprechendes Recycling erfordert daher besondere Kapazitäten, verursacht erheblichen Aufwand und erhöht die Komplexität für die Wertschöpfung. Die Recyclingfähigkeit von BEV-Komponenten ist also ein wichtiger Faktor, den es zu berücksichtigen gilt. Folglich birgt der BEV-Aftersales-Markt ein enormes Potenzial für zusätzliche Wertschöpfung und die Erschließung neuer Marktsegmente, während zugleich die Nachhaltigkeit der Branche insgesamt deutlich gesteigert werden könnte. Die Umstellung von ICE-Komponenten auf Batteriesysteme stellt jedoch eine Herausforderung für die aktuellen Strukturen und Kapazitäten im Aftermarket dar. [1]

Aufgrund der steigenden Nachfrage nach BEVs werden innerhalb des nächsten Jahrzehnts viele Batterien das Ende ihrer (ersten) Lebenszyklus gelangen und anschließend, durch Wiederaufbereitung erneut auf den Markt kommen – mit einer reduzierten Leistung/Produktivität. Da sich die Technologie im Vergleich zu den Verbrennungsmotoren noch auf einer relativ frühen Reifegradstufe befindet, gibt es bisher erst wenige Ansätze für eine Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten, für ein Recycling der Elemente in den Batterien oder auch für die Vermeidung der vollständigen Entsorgung. Anhand der sogenannten „Pyramide der Abfallhierarchie“ können wir besser verstehen, welche Auswirkungen Abfallvermeidung und Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer von Produkten und Bauteilen haben.

Die Pyramide der Abfallhierarchie

Die Pyramide der Abfallhierarchie ist ein Konzept, das beschreibt, in welcher Reihenfolge welche Maßnahmen des Rohstoffs- bzw. Abfallmanagements sinnvoll sind. Von oben nach unten nimmt das Gesamtvolumen der derzeit erzeugten Abfälle zu, während Nachhaltigkeitsmaßnahmen immer stärkeren Einfluss haben, je weiter man sich in der Hierarchie nach oben bewegt. Abbildung 2 zeigt die Stufen der Abfallpyramide und beschreibt typische Strategien zur Abfallreduktion sowie das voraussichtliche Abfallvolumen.

Abfallhierarchie: Kreislaufwirtschaft am Beispiel Batteriemanagement
Transformation Abfallhierarchie: Kreislaufwirtschaft am Beispiel Batteriemanagement [2].
 Jede Stufe der Abfallhierarchie beschreibt eine Form des Umgangs mit Abfällen. Im Folgenden werden die einzelnen Stufen der Pyramide vorgestellt.

Wiederverwendung:

Auf der obersten Stufe steht das Ziel, ein Produkt so lange wie möglich zu verwenden, damit möglichst wenige neue Produkte produziert werden müssen. Die Maßnahmen reichen von geteilter Nutzung über die Instandsetzung bis hin zur Umfunktionierung von Produkten, um ihren Lebenszyklus zu verlängern. Einige Hersteller arbeiten derzeit Strategien für Wartung und Instandsetzung ihrer Batterien aus. Daimler garantiert beispielsweise einen „State of Health“ (SOH) von 80 % für acht Jahre. Strategien, Batterien ein zweites Leben zu geben, bestehen in der privaten und industriellen Speicherung selbst produzierter erneuerbarer Energie.

Remanufacturing:

Produkte, die für den Einsatzzweck keine ausreichende Leistung mehr bringen, werden repariert oder mit Ersatzteilen ausgestattet, um die Leistungsfähigkeit wieder zu erhöhen und damit auch Lebensdauer des Kernprodukts zu verlängern. Das remanufacturete Produkt kehrt wieder auf denselben Markt zurück wie das Originalprodukt. Wenn man sich Verbrennungsmotoren ansieht, wie sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden, dann können einige der genutzten Teile wie Kupplungen, Anlasser oder Getriebe aufgearbeitet werden [3]. Viele dieser Teile sind aber für BEVs nicht relevant. Die aktuelle Diskussion rund um die Nachhaltigkeit von BEVs dreht sich um Batteriezellen, Batteriemodule oder Batteriepacks, die als Hauptkomponenten von BEVs, neben Motor und Stromkreis, wiederverwertet und aufgearbeitet werden.

Recycling:

Dies bezieht sich auf die Wiederverwertung von Rohstoffen, um daraus neue Produkte herstellen zu können. Da das Volumen im Bereich von BEV noch gering ist, sind die aktuellen Recyclingprozesse komplex und häufig energieintensiv. Dennoch ist das Recycling nötig, denn die Ressourcen sind rar und ihr Abbau hat enorme Emissionsauswirkungen. Was Elektrokomponenten angeht, stehen die seltenen Erden und die erheblichen Mengen an Lithium in den Batterien im Fokus der Recyclingbemühungen.

Thermische Verwertung (Verbrennung):

Kann das Material, aus dem ein Produkt besteht, nicht in einen wiederverwertbaren Zustand zurückgebracht werden, ist die thermische Verwertung häufig die letzte Möglichkeit, um zumindest noch Energie aus dem Produkt bzw. den einzelnen Komponenten zu gewinnen.

Entsorgung:

Abfall, der nicht verbrannt werden kann oder darf, landet weltweit auf Mülldeponien.

Aftermarket für Autobatterien: Der Status

Eine Studie zum aktuellen Aftermarket für Autobatterien hat festgestellt, dass Hersteller einen Fokus auf Recycling und/oder Remanufacturing von Batterien legen. Zu diesem Zweck wurden in vielen Fällen sogenannte „Batterieallianzen“ gegründet, um verschiedene Entwicklungen im Zusammenhang mit der Verlängerung der Lebensdauer von Batteriezellen, dem Recycling von Batteriezellen oder ihrem Remanufacturing voranzutreiben. Die Global Battery Alliance umfasst beispielsweise 70 Mitglieder (unter anderem BMW, Honda, BASF und Google) und zielt darauf ab, einen Ansatz für eine Kreislaufwirtschaft für BEVs zu entwickeln. Währenddessen liegt das Hauptziel der Automotive Cells Company (ACC), der Daimler, Saft und Stellantis angehören, darin, die Recyclingfähigkeit von BEVs auf bis zu 95 % zu erhöhen, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Die Battery Value Chain Collaboration hingegen konzentriert sich hauptsächlich auf das Closed-Loop-Recycling von Metallen aus Batterien von Elektrofahrzeugen. Das sind nur drei bekannte Beispiele für Hersteller, Zulieferer und traditionelle Recyclingunternehmen, die ihr Know-how bündeln. Neben den Batterieallianzen führen einige Hersteller und Zulieferer auch eigene Ansätze für Recycling und Remanufacturing der Batterien ein. Tesla ist mit flächendeckendem Recycling ein Beispiel dafür.

Ziel der aktuellen Entwicklungen

Was die Pyramide der Abfallhierarchie angeht, besteht eine Idee darin, die einzelnen Stufen der Pyramide im Hinblick auf ihre jeweiligen Mengenanteile auf den Kopf zu stellen, um die höheren Stufen in stärkerem Maße auszunutzen. In der Entwicklung neuer Technologien sollte der Schwerpunkt daher auf der Wiederverwendung oder Remanufacturing von Batterien liegen, um die Wertschöpfung zu erhöhen. Abbildung 3 stellt die hier beschriebene umgedrehte Pyramide und den potenziellen Mehrwert für die einzelnen Stufen dar.

Transformation Abfallhierarchie: Kreislaufwirtschaft am Beispiel Batteriemanagement
Transformation der Abfallhierarchie in einer Kreislaufwirtschaft

Die Wiederverwendung von Batterien außerhalb von Elektrofahrzeugen stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, Umsatz zu generieren. Aufgrund der hohen technischen Anforderungen, die im Zusammenhang mit möglichen Lade- und Entladeströmen und ihrer Kapazität an Fahrzeugbatterien gestellt werden, können diese nur für eine begrenzte Zeit in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen. Typischerweise erreichen sie das Ende ihrer Lebensdauer bei einem Rückgang des auf SOH von 80 % (bezogen auf das erste Leben). Es gibt jedoch verschiedene Anwendungen, bei denen diese Batterien auch über diesen Punkt hinaus eingesetzt werden können. Ein Beispiel dafür ist die private Speicherung von Energie aus Photovoltaiksystem oder anderen erneuerbaren Energiequellen. Ein weiteres Beispiel ist die Nutzung mehrerer Batterien für die Energiespeicherung in Unternehmen, um auf schwankende Strompreise flexibler reagieren zu können. In Phasen hoher Energiepreise kann ein solcher Speicher als Puffer genutzt werden. Auf Grundlage dieser Anwendungen können neue Geschäftsmodelle rund um das Management der unterschiedlichen Lebenszyklen von Batterien entstehen. Wissenschaftliche Studien prognostizieren bis 2030 in diesem Bereich eine Verfügbarkeit von 112 bis 275 GWh pro Jahr. [4]

Batteriezellen altern nicht gleichmäßig, sodass eine einzige defekte Batteriezelle den SOH der gesamten Batterie beeinträchtigt. [5] Kleinere Defekte können dazu führen, dass BEVs nicht mehr funktionsfähig sind, auch wenn sie potenziell immer noch einen hohen Wert haben. Wenn eine Wiederverwendung oder ein zweites Leben für eine Batterie keine Option sind, verspricht das Remanufacturing von Batteriepacks ein hohes Wertschöpfungspotenzial im Vergleich zu Recycling oder Verbrennung. Typische Anwendungsfälle sind der Austausch nicht mehr leistungsfähiger Batteriezellen oder Module oder sogar anderer Bauteile innerhalb der Batterie. Diese hochverarbeiteten Produkte weiterhin zu nutzen, erhöht den Wert für die Kunden erheblich. Entsprechende Remanufacturing-Strategien zu entwickeln, wird daher eines der wichtigen Ziele für die Zukunft sein und ein großes Potenzial für die Automobilindustrie und ihre Zulieferer erschließen.

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Wir danken Dr. David Dickmann für seine Mitarbeit an diesem Artikel.

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Dieser Beitrag ist Teil einer Artikelserie über Kreislaufwirtschaft:

Eine Einführung in das Thema Kreislaufwirtschaft finden Sie in diesem Artikel. Der nächste Artikel wird sich auf Remanufacturingprozesse für Autobatterien konzentrieren.

Sollten Sie weitere Informationen über die Wertschöpfungskette durch Wiederverwendung und Remanufacturing von Autobatterien wünschen, wenden Sie sich bitte an Jens Steuer (jste@camelot-mc.com).

 

[1] D. Parker et al. 2015, Remanufacturing Market Study

[2] Umweltprogramm der Vereinten Nationen 2013, Guidelines for National Waste Management Strategies Moving from Challenges to Opportunities

[3] D. Parker et al. 2015, Remanufacturing Market Study

[4] The Second-Life of Used EV Batteries – Union of Concerned Scientists (ucsusa.org)

[5] Shi et al. 2017, Life prediction of large lithium-ion battery packs with active and passive balancing | IEEE Conference Publication | IEEE Xplore

 

 

 

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