Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen- Traktionsbatterien

Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen- Traktionsbatterien

Institut für Automobilwirtschaft und Industrielle Produktion,

Lehrstuhl für Produktion und Logistik, Technische Universität Braunschweig, Katbarmenstraße 3, 3 8106 Braunschweig,

claas.hoyer@tu-brmmschweig. de

Karsten Kieckhäfer

Institut für Automobilwüischaft tmd Industrielle Produktion,

Lehrstuhl für Produktion und Logistik, Technische Universität Brmmschweig, Katharinensh·aße 3, 3 8106 Braunschweig,

k.kiecld1aefer@tu-braunschweig.de

Thomas S. Spengler

Institut für Automobilwüischaft und Indush·ielle Produktion,

Lehrstuhl für Produktion tmd Logistik, Tedmische Universität Braunschweig, Katharinenstraße 3, 3 8106 Brmmschweig,

t.spengler@tu-bratmschweig.de

In diesem Beitrag wird ein Ansatz zur langfi·istigen Abschätzung und ökonomischen Bewertung des zukünftig zu erwartenden Aufkommens gealterter Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrojahrzeugen vor- gestellt. Der auf einem integrierten szenariobasierten systemdynamischen Simulationsmodell basie- rende Ansatz erlaubt, Stückzahl, Masse und Wert des Altbatterieaufkommens über die Zeit anhand von Erwartungen zur zukünjiigen Entwicklung des Elektrofahrzeugmarkts und der Batterietechnologie abzuschätzen und dient damit politischen und industriellen Entscheidungsträgern als Gnmdlage für Fragestellungen der strategischen Planung des Recyclings der Batterien. Zur exemplarischen Anwen- dung wird das lvlodell mit einem Szenario auf Grundlage der Zielsetzung des Nationalen Entwick- lungsplans Elektromobilität der deutschen Bundesregierung, bis 2020 einen Bestand von einer Million batteriebetriebener Elektrojahrzeuge aufdeutschen Straßen zu erreichen, parametriert. Die Ergebnis- se der Simulation zeigen, dass das Recycling der Batterien mit großen Herausforderungen für die heutigen Redistributionsnetzwerke von Automobilherstellern, jedoch auch mit einem hohen ökonomi- schen Potential einhergeht.

400 Claas Hoyer, Karsten Kieckhäfer und Thomas S. Spengler

1 Motivation und Zielsetzung

Strengere Emissionsgrenzwerte, steigende Marktpreise fossiler Energieträger und Subventionen des Gesetzgebers werden in den nächsten Jahren voraussichtlich zu ei- ner steigenden Nachfrage nach batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen fiihren. Mit dem Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität hat sich die deutsche Bundesregierung diesbezüglich zum Ziel gesetzt, Forschung und Entwicklung sowie die großflächige Marktvorbereitung und -einführung voranzutreiben, um bis 2020 eine Million batterie- betriebener Elektrofahrzeuge auf deutsche Straßen zu bringen. Dies soll der Umset- zung der energie- und klimapolitischen Ziele dienen und Deutschland zum Leitmarkt fiir Elektromobilität befördern.¹

Ein Schlüssel zur elektrischen Automobilität ist die Lithitm1-Ionen-Batterie- technologie, die sich gegenüber anderen Speicherkonzepten durch ihre hohe spezifi- sche Energie und ihre lange Lebensdauer auszeichnet.² In der Herstellung der Batterien werden große Mengen von Nichteisenmetallen wie Lithium, Cobalt, Nickel, Mangan und Kupfer verwendet. Dies fiüut zu zwei hauptsächlichen Problemen. Auf der einen Seite gehen mit der Gewimmng der Metalle teilweise hohe Umweltbelastungen und hoher Energieeinsatz einher. Auf der anderen Seite sind die Vorkonuuen teilweise geographisch konzentriett. So stammten im Jalu· 2008 neunzig Prozent des weltweit gewmmenen Lithiums aus lediglich vier Ländem.³ Für die EU könnte dies zu einer neuen Importabhängigkeit fiüu·en.

Einen Lösungsansatz stellt das Recycling der Traktionsbatterien dar, welches die Reichweite der Vorkonm1en verlängern, die energieintensive Primärproduktion redu- zieren und neben der Verringerung von Umweltbelastungen strategische Vorteile be- zogen auf Preise und Abhängigkeit von Rohstoffimpmten mit sich bringen könnte.

Überdies ist die Beseitigung der Batterien durch Verbremmng oder Deponierung ver- boten. Hersteller sind verpflichtet, flächendeckende Rücknaluuesysteme anzubieten.

Derzeit sind jedoch weder die notwendige Infrastruktur zum Recycling der Batterien noch ausgereifte Aufbereitungsverfahren vorhanden, sodass diese frühzeitig geplant und ausgestaltet werden müssen. Dies beinhaltet neben der Entwicklung eines gnmd- legenden Sanuuelkonzepts Entscheidungen über Anlagenstandmte zur Behandlung der Batterien, deren Kapazitäten und die dort einzusetzenden Demontage- und Aufberei- tungsverfahren. Entsprechende Reverse-Logistics-Ansätze für verwandte Fragestel- lungen der strategischen Netzwerkplanung sind in der Literatur beispielsweise fiir das Altfalu-zeugrecycling^4, Gerätebattetierecycling⁵ und Elektro- und Elektronikgerätere-

V gl. Deutsche Bundesregierung (2009), S. 18. Der Zielbestand von einer Million Elektrofahrzeu- ge schließt ausdrücklich Hybridfahrzeuge aus (ebenda, S. 7).

Vgl. Gaines und Cuenca (2000).

Vgl. U. S. Geological Survey (2010).

V gl. Püchert ( 1996).

Vgl. Schultmannet al. (2003).

Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien 401 cycling⁶ zu finden. Analogien bestehen weiterhin zur strategischen Planung von vor- wärtsgerichteten W e1ischöpflmgsketten. ⁷ Im Gegensatz zu diesen Ansätzen sind die marktseitigen und technologischen Rahmenbedingungen im vorliegenden Problem aufgiund des frühen Entwickhmgsstandes jedoch derart llllsicher, dass Standortpla- nungsansätze zur konkreten Ausgestaltung produktionsseitiger lllld logistischer Struk- turen nicht zu belastbaren Ergebnissen führen würden. Wesentliche vorgelagerte Fra- gestelhmgen politischer lUld industrieller Entscheidllllgsträger betreffen die Abschät- zung der ökonomischen tmd ökologischen Relevanz des Recyclings, die Dimensionie- nmg zukünftiger Recyclingsysteme lllld die V mieilhaftigkeit einzelner Aufbereitlmgs- velfahren zur Rückgewinnllllg insbesondere der metallischen Materialien.

Vor diesem Hintergnmd besteht das Ziel dieses Beitrags in der AbschätZllllg der Ent- wickhmg des Altbatterieaufkmmnens in Deutschland tmd dessen ökonomischer Be- Welilmg. Hierzu werden Zllllächst die Rahmenbedingungen tmd Determinanten sowie bestehende Ansätze zur langfristigen Abschätzung und Bewertlmg des Altbatterieauf- kommens vorgestellt. Anschließend wird ein szenariobasie1ies systemdynamisches Simulationsmodell entwickelt, mit dem die Entwicklung des Altbatterieaufkmmnens tmter Berücksichtigtmg verschiedener Batterievarianten sowie der Marktentwicldung unterschiedlicher Antliebskonzepte abgeschätzt werden kann. Die ökonomische Be- welilmg erfolgt dabei auf Gnmdlage der potentiellen Erlöse für die wichtigsten Metal- le, die durch eine Aufbereitung zurückgewonnen werden können. Zur exemplarischen Anwendtmg wird das Modell abschließend mit einem beispielhaften Szenario paramet- rieli lllld das Altbatte1ieaufkmmnen bis 2025 auf Basis der Zielsetzung der deutschen Btmdesregienmg abgeschätzt tmd ökonomisch bewe1iet. Die erzielten Ergebnisse wer- den dabei einer Sensitivitätsanalyse unterzogen tmd es werden Handlungsempfehhm- gen abgeleitet.

2 Grundlagen der langfristigen Abschätzung und Bewertung des Altbatterieauflmmmens

2.1 Rahmenbedingungen und Determinanten des Altbatterieaufkommens

Im zu planenden Recyclingnetzwerk sind für verschiedene Akteure unterschiedliche Fragestelltmgen hinsichtlich des zukünftig zu erwartenden Altbatterieautkmmnens von Bedeutlmg. Batteriehersteller, nach dem Batte1iegesetz im Allgemeinen die Fahrzeug- hersteller, müssen den Aufbau und Betrieb eines Rücknahmesystems gewährleisten. ⁸ Hier ist im Wesentlichen ein effizientes logistisches System zur Smmnlllllg der Batte- rien zu gestalten; ausreichende Transpmi-, Umschlag- tmd Lagerkapazitäten sind zu schaffen. Für diese Planung gnmdlegend sind die zukünftigen Stückzahlen des Alt- batterieauflmmmens. Anschließend an die Smmnlung können die Batte1ien auf ver- schiedene Weisen recycelt werden. Gnmdlegend können zunächst demontierende

Vgl. Walther und Spengler (2005).

Vgl. Walther et al. (2010a).

Vgl. §8 i. V. m. §2 Absatz 15 Batteriegesetz vom 25. Juni 2009.

402 Claas Hoyer, Karsten Kiecld1äfer und Thomas S. Spengler

Schritte angewandt werden, um Bestandteile wie Plastik- oder Edelstahlgehäuse und Stromleiter bereits vorhandenen Recyclingnetzwerken zuzuführen. Zur Abschätzung der für die Demontage benötigten Kapazitäten ist ebenfalls die Ermittlung der zukünf- tigen Stückzahlen nötig. Des Weiteren sind zur Rückgewinnung der Nichteisemnetalle aus den Batteriezellen mechanische und metallurgische Verfahren anwendbar, wobei derzeit unterschiedliche Verfahrenskombinationen diskutie1i und entwickelt werden.9 Für die Planung der benötigten Kapazitäten ist insbesondere die Masse des Altbatte- rieauflmmmens relevant. Darüber hinaus spielt bei der Auslegung großtechnischer Recyclinganlagen, die die Wahl der V erfahren und zu errichtenden Kapazitäten im Zeitverlauf einschließt, neben den e1wähnten Mengengerüsten insbesondere auch der ökonomische Wert des Altbatterieauflmmmens eine entscheidende Rolle.

Die drei fiir die Planung des Recyclingnetzwerks relevanten Größen- Stückzahl, Mas- se und Wert- hängen von vielfaltigen Einflussfaktoren ab. Die Stückzahl des Altbatte- rieauflconmlens über die Zeit ist unmittelbar abhängig von den abgesetzten Elektro- fahrzeugen und ihrer Nutzungsdauer bis zur Verschrottung. Zudem unterliegt die Batterie wie jede Komponente eines Fahrzeugs einem Verschleiß, so dass sie unter Umständen ersetzt werden muss. Deshalb ist die Stückzahl der Altbatterien auch von der Nutzungsdauer der Batterien abhängig. Weitergehend ist anzunehmen, dass ein bestimmter Anteil der aus Fahrzeugen entnommenen Batterien für eine gewisse Zeit zwar nicht mehr für die Traktion von Fahrzeugen, jedoch noch in stationären Anwen- dungen ve1wendbar ist.¹⁰ Entsprechend haben der Anteil und die Dauer der Weiter- verwendung einen Einfluss auf die zu behandelnden Altbatterien. Ist die Stückzahl des Altbatterieauflconnnens sowie die Masse einer Batterie bekannt, kmm daraus die Masse der zu verarbeitenden Batterien abgeleitet werden. Der ökonomische Wert des Auflcommens ergibt sich abschließend aus der Bewe1iung der Stückzahlen mit den in einer Batterie enthaltenen Wertstoffmengen sowie deren Marktpreisen. Eine Her- ausforderung bei der Abschätzung der genannten Größen besteht dabei darin, dass die genannten Einflussgrößen zwischen verschiedenen Antriebskonzepten und Batterie- varianten variieren.

Vor dem Hintergrund der Diskussionen zur Elektromobilität werden derzeit verschie- dene Elektrofahrzeuge auf Basis vielfaltiger Antriebskonzepte entwickelt und in den Markt eingefiilui, deren Marktpotential noch mit sehr großen Unsicherheiten belegt ist.

Gnmdlegend lassen sich auf Basis der Antriebskonzepte folgende Elektrofahrzeuge unterscheiden: Hybridfahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles, im Folgenden HEV), Plug-

10

So zum Beispiel in den Projekten LithoRec (kombinierter mechanischer und hydrometallurgischer Prozess, http://www.lithorec.de) und LiBRi (kombinierter pyro- und hydrometallurgischer Pro- zess, http://www. pt-el ektromobili taet.de/proj ekte/batterierecycl ingll ibri).

Vgl. Gaines und Cuenca (2000), Cready et al. (2003).

Strategische Planung des Recyclings von Lithimn-Ionen-Traktionsbatterien 403 In-Hybridfahrzeuge (Flug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV) und reine Elektrofahr- zeuge (Batte1y Electric Vehicles, BEV).¹¹

Abhängig vom Antriebskonzept werden unterschiedliche Anforderungen an die benö- tigten Batte1ien gestellt, die in Batterievarianten unterschiedlicher Masse und Weli- stoffmengen resultieren. Hyb1idfahrzeuge müssen wegen des dominierenden konven- tionellen Antriebs vergleichsweise wenig elektrische Energie speichern, entsprechend weisen die Batterien typischerweise relativ ge1inge Kapazitäten, Abmessungen und somit Massen (etwa 30 bis 50 Kilogramm) auf. Hingegen müssen die Battetien in rei- nen Elekn·ofahrzeugen, um eine zufriedenstellende Reichweite erzielen zu können, eine sehr hohe Kapazität aufweisen und besitzen somit eine weitaus größere Masse (etwa 250 bis 350 Kilogrmmn). Als Technologie für diese Batterien wird derzeit vor allem die Lithium-Ionen-Technologie diskutiert. Durch die Verwendm1g unterschiedli- cher Aktivmaterialien, welche die Energie- und Leish.mgsdichte, jedoch auch die Leis- ttmgsfähigkeit, Sicherheit tmd Kosten der Batterien beeinflussen, ergeben sich dabei weitere Batterievarianten.¹² Für das Recycling relevante Differenzen bestehen insbe- sondere hinsichtlich der metallischen We1istoffe, die zurückgewom1en werden köm1en:

Während die Varianten Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (NMC) und Lithimn- Nickel-Cobalt-Aluminimnoxid (NCA) jeweils Cobalt und Nickel in unterschiedlichen Massenanteilen enthalten, konnnen die Vmianten Lithium-Eisenphosphat (LFP) und Lithium-Manganoxid (LMO) ohne diese besonders we1ivollen Metalle aus. Der hohe Cobalt-Preis war bislang Treiber des Recyclings ldeinerer Batterien, gleichzeitig je- doch auch der Gn.md, Cobalt teilweise oder gänzlich durch andere Materialien, zum Beispiel Mangan, zu substituieren.¹³ Weitere relevante Wertstoffe der Batterien sind vm-iantenunabhängig Lithimn sowie Kupfer und Aluminimn, die zur Stromsmmnlung tmd -leitm1g eingesetzt werden.

Neben dem Einfluss auf die Batteriemasse und We1istoffmenge besitzt das genutzte Anhiebskonzept auch Einfluss auf die Nutzungsdauer einer Batterie. Batterien tmter- liegen einem Alten.mgsprozess, der mit Verlust der speicherbaren Energie tmd somit der elektrischen Reichweite des Fahrzeugs verbtmden ist. Verursacht wird die Alte- nmg durch chemische Reaktionen zwischen Aktivmaterial tmd Elektrolyt sowie durch Struktm·änderungen des Aktivmaterials. Beeinflussend wirken dabei die Lagerbedin- gungen (Temperauu·, Ladezustand) respektive die Lade- und Entladecharakte1istika (Ladestrom, Entladetiefe). Da letztere je nach Antriebskonzept sehr tmterschiedlich ausfallen, kann hier von erheblichen Abweichungen der Batterienutzm1gsdauem zwi- schen den Anhiebskonzepten ausgegangen werden. Schätzungen zufolge beträgt die maximale Nutztmgsdauer bestimmter Batterievarianten in BEV etwa fünf, in PHEV

II Vereinfachte Kategorisierung ähnlich Walther et al. (2010b), S. 261; Biere et al. (2009), S. 73 f.

Hier wird noch weiter zwischen BEV und Stadt-BEY unterschieden. Anders Deutsche Bundesre- gierung (2009), S. 7, hier zählen Hybridfahrzeuge nicht zu den Elektrofahrzeugen.

12 Vgl. Gaines und Cuenca (2000), S. 11-12. Für eine umfassende Übersicht über aktuelle und zu- künftige Batteriematerialien siehe Shukla und Prem Kumar (2008), S. 314 ff.

13 Vgl. Gaines und Cuenca (2000), S. 45.

404 Claas Hoyer, Karsten Kiecld1äfer und Thomas S. Spengler

zehn und in HEV fünfzehn Jahre.¹⁴ Hier gilt jedoch zu beachten, dass diese Studien auf Extrapolation basieren. Zudem bleibt unklar, wie die Nutzungsdauem der Batterien verteilt sein werden und welchen Einfluss die individuelle Beanspruchung des Fahr- zeugnutzers sowie die chemische Zusammensetzung der Aktivmaterialien haben.

Desweiteren stellt sich die Frage, welche der Batterien sich anschließend an die Nut- zung im Fahrzeug für die Weiterve1wendtmg eignen.

Zusammenfassend können demnach folgende Anforderungen an die langfristige Ab- schätzung und Bewe1iung des Altbatte1ieauflcommens gestellt werden:

Einbezug verschiedener Anhiebskonzepte und Batterievarianten mit unterschiedli- chen W mistoffmengen,

Abbildung von Fahrzeugverschrotiungen durch Abbildung von Absatz und Nut- zungsdauer,

Separate Abbildung von Batterieersatz dmch Abbildung der in Fahrzeugen instal- lierten Batterien sowie deren Nutzungsdauern,

Abbildung der möglichen Weiterverwendung der aus Fahrzeugen deinstallierten Batterien und die dadmch entstehende Verzögerung,

Beachtung der hohen marktseitigen und technischen Unsicherheiten.

2.2 Ansätze zur langfi·istigen Abschätzung des Altbatteriem!fkommens

Der zukünftige Rücklauf von Produkten wird grundlegend für verschiedene Problem- stellungen der strategischen und taktischen Planung geschätzt. Meist betrifft die Ab- schätztmg allerdings bereits im Markt etablie1ie Produkte, sodass der Rücklauf entwe- der als gegeben angenommen oder mit analytischen Prognoseverfahren wie der Zeit- reihenanalyse oder Regressionsmodellen auf Basis von Vergangenheitsdaten ermittelt wird.¹⁵ Aufgrund der noch bevorstehenden angenonnnenen Marktdurchdlingung von Elektrofaln-zeugen kann zur Abschätzung des Altbatterieaufkmmnens jedoch nicht auf Vergangenheitsdaten oder Erfahnmgswe1ie zurückgegriffen werden.

Grundlegend besser eignen sich für dermiig langfristige und neumiige Fragestelhmgen mit hohen Unsicherheiten eher intuitive Methoden wie die Szenarioteclmik¹⁶ sowie ( systemdynamische) Simulationsmodelle, mit denen die Marktdiffusion neumiiger Tedmologien beschrieben werden kmm.¹⁷ Dabei ist festzustellen, dass sich bis heute keine Methode zur langfristigen Prognose vollständig etablimi hat. Jedoch fmdet vor dem Hintergnmd der EinfiUmmg alternativer Antriebskonzepte insbesondere die Kombination beider Methoden vermelnt Anwendung.^1R Hierbei werden zunächst un- terschiedliche Szenarien erarbeitet, die Annahmen über die Umfeldentwickhmg im

14 15

lfi 17 IH

Vgl. SmTe el al. (2004), Marano et al. (2009).

So bspw. Pücherl (1996), S. 35 für die Planung des Altfahrzeugrecyclings und Wallher und Spengler (2005), S. 346 für die Planung des Elektro- und Elektronikaltgeräterecyclings.

Vgl. Götze (1993), S. 31; vgl. Dudenhöffer und Borscheid (2004), S. 199.

Vgl. Stennan (2000).

Vgl. Mock (2010); vgl. Wallher et al (2010b); vgl. Weikl (2010).

Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien 405 Automobilmarkt beschreiben. Hierzu zählen beispielsweise Annahmen bezüglich zu- künftiger Entwicldungen des Ölpreises, der Energieversorgung, des Klimawandels oder der Emissionsgesetzgebtmg. Diese Annahmen bzw. daraus abgeleitete Größen [Juden anschließend als exogene Parameter Eingang in ein Simulationsmodell, mit dem dann die abzuschätzenden Größen quantifiziert werden (z. B. Marktentwickhmg der Antriebskonzepte).

Auch fiir den vorliegenden Fall scheint dieses Vorgehen erfolgsversprechend. Mit Hil- fe der Szenariotechnik können die hohen Unsicherheiten bezüglich des Elektrofahr- zeugabsatzes, der in den Fahrzeugen installietien Batterievarianten sowie der Nut- Ztmgsdauem der Fahrzeuge und Batterien abgebildet werden. Zudem kann auf gängige Studien zur Elektrofahrzeugmarktentwicldung zurückgegriffen werden, die sich eben- falls der Szenariotechnik bedienen, um den Absatz oder den Bestand verschiedener Antriebskonzepte zu spezifischen Zeitpunkten fiir tmterschiedliche Märkte auf aggre- gierter Ebene zu schätzen.¹⁹ Demgegenüber eignet sich die systemdynamische Simula- tion zur Abbildtmg des zeitlichen Verlaufs der Marktdiffusion verschiedener Antrieb- konzepte auf Basis der Szenariovorgaben sowie zur Ennittltmg des Mengengetiistes des Altbatterieaufkmmnens. Das Mengengetiist kann hierbei auf Basis der Modellie- nmg der in Abschnitt 2.1 beschriebenen Wirhmgsketten und Verzögenmgen endogen ennittelt werden: Ausgehend vom simulietien Absatz können Fahrzeug- und Battetie- bestand sowie deren Altersstrukturen fmigeschrieben werden. Die Abbildung von Fahrzeugverschrottungen, Batterieersatz tmd Altbatte1iemengen über die Zeit wird hierdurch möglich. Unter Beachnmg der Wetistoffanteile der Altbatterien tmd der hierfür erzielbaren Marktpreise können somit auf Basis der Integration von Szenario- teclmik und systemdynmnischer Simulation sämtliche relevanten Größen des Altbatte- rieaufkmmnens- Stückzahl, Masse und Weti- anfordemngsgerecht abgeschätzt wer- den. Aufgnmd dieser grundsätzlichen Eigntmg wird der vorgestellte Ansatz im Fol- genden weiterverfolgt tmd ein entsprechendes systemdynamisches Modell entwickelt.

3 Modell zur Simulation des Altbatterieaufkommens 3.1 Konzept des Modells

Das systemdynamische Modell zur Simulation des Altbattetieaufkmmnens ist konzep- tionell in fiinfModule gegliedert (siehe Abbildung 1). Im Fahrzeugabsatzmodul wird der Absatz von Neufahrzeugen verschiedener Antriebskonzepte über die Zeit simu- liert. Die abgesetzten Neufahrzeuge finden Eingang in das Fahrzeugbestandmodul, in dem der Bestand der Fahrzeuge modelliert ist. Der Bestand der Fahrzeuge ist die Smmne aus kumulietien Neuzulasstmgen abzüglich kmnulietier Verschrottlmgen. Die Anzahl der Verschrotnmgen über die Zeit wird in dem Modul durch die Simulation der Fahrzeugaltemag ermittelt. Die in den Fahrzeugen verbauten Battetien unterschiedli- cher Varianten werden im Batteriebestandmodul erfasst, in dem die Alterung tmd die

19 Vgl. Book et al. (2009); vgl. Walther et al. (2010).

406 Claas Hoyer, Karsten Kiecld1äfer und Thomas S. Spengler

anschließende Deinstallation und der Ersatz von Batterien der Fahrzeuge im Fahr- zeugbestand simuliert werden. Die Summe aus Fahrzeugverschrottungen und Batterie- ersatz ist das Aufkommen eieinstallierter Batterien. Das für das Recycling zur Verfü- gung stehende Altbatterieaufkommen wird mit Berücksichtigung der Verzögerung durch mögliche Weiterverwendung im Altbatterieauflwmmenmodul abgebildet. Die Altbatterien werden im Bewertungsmodul anband der Mengengerüste der wichtigsten in den Batterien enthaltenen W e1istoffe und deren Marktpreise ökonomisch bewertet.

Dabei wird den je nach Antriebskonzept und Batterievariante unterschiedlichen stoft'..

liehen Zusammensetzungen Rechnung getragen.

Das Modell wird mithilfe von Szenarien parametriert. Exogen vorgegeben werden da- bei Antriebskonzeptdefinitionen, Batterievariantendefinitionen, Weiterverwendung und Batteriewertstoffe sowie deren Marktpreise.

Antriebskonzept- definitionen

a Einführungszeitpunkte

• Mittel- und langfristiges Marl<fpotential

• Nutzungsdauer

• Batterievariantenmix

Weiterverwendungs~

potenzial nach Antriebskonzept

• Anteil

• Verweildauer

Wertstoffe und Marktpreise nach Antriebskonzept und Batterievariante

Fahrzeugabsatz

Öl<onomische Bewertung

Batterievarianten~

definitionen

• Aktivmaterial

• Nutzungsdauer in Abhängigkeit von Antriebskonzept und Aktivmaterial

Abbildung 1: Konzept des Modells zur Abschätzung und Bewertung des Altbatterieauflwmmens

3.2 Beschreibung der Module

Grundidee des Fahrzeugabsatzmoduls ist es, auf Basis exogener Szenariovorgaben den Fahrzeugabsatz über die Zeit endogen zu berechnen. Der Gesamtabsatz für die einzelnen Antriebskonzepte ergibt sich dabei annahmegemäß aus der Summe der Erst- käufe und der Ersatzbeschaffungen. Während die Erstkäufe mit Hilfe eines diffusions- theoretischen Modells in Anlehnung an Bass (1969) ermittelt werden, ergeben sich die Ersatzkäufe aus den Fahrzeugverschrottungen nach Ende der Nutzungsdauer.

Grundlage für die Ermittlung des Fahrzeugabsatzes auf Basis von Erstkäufen über die Zeit stellt im Modell eine logistische Wachstumsfunktion dar. Der Fahrzeugabsatz ent- spricht dabei dem Bestandswachstum der logistischen Funktion. Allgemein hängt die- ses Wachstum vom aktuellen Bestand, einer Bestandsobergrenze und einer Wachs-

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Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien 407 nunskonstanten ab. Die Bestandsobergrenze ist im vorliegenden Fall durch das Markt- potential bestimmt. Die Wachstumskonstante wird im Modell unter Zuhilfenahme exogener Szenariovorgaben berechnet. Hierzu zählen der Einfi.ihrungszeitpunkt eines Antriebskonzepts sowie die erwarteten Fahrzeugbestände zweier zukünftiger Zeit- punkte: deminitialenund dem langfristigen MarktpotentiaL Dasinitiale Marktpotenti- al erlaubt die Vorgabe eines in näherer Zukunft (5 bis 15 Jahre) e1warteten Fahrzeug- bestands. Über diesen Zeitraum hinausgehende E1warttmgen bezüglich des Fahrzeug- bestands in einem gesättigten Markt können mit dem langfristigen Marktpotential be- 1iicksichtigt werden. Abbildtmg 2 verdeutlicht die Wirktmgsweise der Paramehierung anhand des unterschiedlichen Bestandsverlaufs zweier Anhiebskonzepte, denen ein identischer V erkaufsstmi tmd ein identisches langfristiges Marktpotential, jedoch ein ooterschiedlich hohes initiales Marktpotential zugesprochen wird. Hieraus resultie1i ein unterschiedlicher Verlauf der Erstkäufe fiir die Antriebskonzepte.

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Initiales Marktpotential AK 1:

1,2 Mio. Fahrzeuge Zeitpunkt: 2020

Initiales Marktpotential AK 2:

0,2 Mio. Fahrzeuge Zeitpunkt: 2020

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Abbildung 2: Initiales und langfristiges Marktpotential

Cl L(J Cl N

L(J L(J Cl N

Cl <0 Cl N

Zeit (Jahr)

Darüber hinaus erlaubt das Modell die Abbildtmg von Übergangstechnologien tmd damit der Degenerationsphase eines Anhiebkonzepts. Ist das langfristige Marktpoten- tial niedriger als das initiale Marktpotential, wird die Anzahl der Ersatzbeschaffungen begrenzt, bis auch der Bestand der Fahrzeuge auf das langfristige Marktpotential ge- sunken ist.

Die im Fahrzeugabsatzmodul berechneten abgesetzten Fahrzeuge finden Eingang in das Fahrzeugbestandmodul, in dem die Altenmg der Fahrzeuge bis zu ihrer Ver- schrottung simulie1i wird. Abbildtmg 3 zeigt die Modellienmg des Alterungsprozesses der Fahrzeuge in sogenannten Alterskohmien.²⁰ Damit lässt sich der Gesamtfahrzeug-

20 Vgl. Stennan (2000).

408 Claas Hoyer, Karsten Kiecld1äfer und Thomas S. Spengler

bestand in verschiedene Altersgruppen klassifizieren und Fahrzeugverschrottungen können auf Basis der erwarteten mittleren Nutzungsdauer und der nach Fahrzeugalter differenzierten Ausfallraten bestimmt werden. Fahrzeugverschrottungen führen it11 Modell zu Ersatzkäufen, die im Falle negativen Marktwachstums begrenzt sind.

Im Batteriebestandmodul wird die Anzahl der aufgrund von Fahrzeugverschrottung oder Alterung aus den Fahrzeugen deinstallierten Batterien berechnet (vgl. Abbildung 4). Der Batteriebestand erhöht sich um den Neufahrzeugbatteriebedarf und den Ersatz- batteriebedarf. Der Neufahrzeugbatteriebedarf wird aus dem Gesamtabsatz der jewei- ligen Antriebskonzepte unter Berücksichtigung der exogenen Vorgabe von antliebs- konzeptspezifischen Batterievariantenanteilen ermittelt. Verschrottungen von Fahr- zeugen verringern den Bestand. Gealterte Batterien führen zu Ersatzbatteriebedarf, so dass der Bestand installierter Batterien konstant bleibt. Die Alterung der Batterien ist dabei vereinfacht modelliert, die Batterien werden frühestens durch die Verschrottung des Fahrzeugs und spätestens bei Eneichen der Batterienutzungsdauer deinstalliert.

Die nach Antriebskonzept und Batterievariante differenzie1te Batterienutzungsdauer wird exogen vorgegeben.

Das Altbatterieauflmmmenmodul dient der Ermittlung der dem Recycling zur Ver- fügung stehenden Altbatterien über die Zeit. Eingangsgröße ist die Anzahl deinstallier- ter Batterien aus dem BatteriebestandmoduL Aus exogenen Szenariovorgaben bezüg- lich des Anteils der Batterien in Weiterverwendung und der Dauer der Weiterverwen- dung wird die Stückzahl der Altbatterien berechnet, die dem Recycling zur Verfügung stehen. Dabei wird nach dem Antriebskonzept differenzie1t, in dem die Batterie ur- sprünglich installie1t war. Mithilfe der vorgegebenen antriebskonzept- und batterieva- riantenspezifischen Massen wird daraus die Gesamtmasse der Altbatterien über die Zeit ermittelt.

Die ökonomische Bewe1ttmg des Altbatterieaufkommens wird im Bewertungsmodul vorgenonm1en. Dazu werden die als Ergebnis des Altbatterieau:flconm1enmodul fest- stehenden, nach Anh-iebskonzept und Batterievariante differenzierten Stückzahlen mit den vorgegebenen antl·iebskonzept- und batterievariantenabhängigen Weltstoffmengen sowie den vorgegebenen Marktpreisen der Wertstoffe bewe1tet. Neben den so enech- neten potentiellen Erlösen aus dem Recycling über die Zeit werden die kumulierten zukünftigen Erlöse berechnet. Eine Bewe1tung der Zahlungsflüsse ist nicht vorgese- hen. A1mahmen bezüglich der Effizienz der Aufbereitungsverfahren werden zusätzlich über die wertstoffbezogenen Rückgewinnungsquoten berücksichtigt und wirken sich entsprechend auf die zurückgewonnenen Weltstoffmengen aus.

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410 Claas Hoyer, Karsten Kiecld1äfer und Thomas S. Spengler

Ersatzbatteriebedarf

Batterieinstallationen

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Neufahrzeugbatterie bedarf

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Bafferienu~ungsdauer

Satteriedeinstallationen

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Batteriebestand Satteriedeinstallationen

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Satteriedeinstallationen aufgrund Verschrottung

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Bafferievarianien> <Fallrzeuqverscilrotttlllgen>

Abbildung 4: Batteriebestandmodul

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4 Fallbeispiel: Eine Million Elektrofahrzeuge im Jahr 2020

Zur exemplarischen Anwendtmg wird das vorgestellte Modell mit einem beispielhaf- ten Szenario parametriert und das Altbatterieauflcommen bis 2025 auf Basis der Ziel- setzung der deutschen Bundesregierung bezüglich der Entwicklung des Elektrofahr- zeugmarkts abgeschätzt tmd ökonomisch bewertet. Zielgrößen der Abschätztmg sind die Stückzahl des Altbatterieauflcommens in Stück pro Jahr, deren Masse in metri- schen Tonnen pro Jahr und deren Wert in US-Dollar pro Jahr. Gegenstand der Be- trachtung sind die Anttiebskonzepte HEV, PHEV tmd BEV sowie die Batterievarian- ten NMC, NCA und LFP (siehe Abschnitt 2.1 ). Zm Bewertung herangezogen werden die Wettstoffe Kupfer (Stromsmmnlung und -leitung), Aluminium (Stromsammlung tmd Aktivmaterial), Lithium, Nickel, Cobalt und Mangan (Aktivmaterial).

4.1 Datengrundlage

Die Datengrundlage der Fallstudie besteht zum einen aus szenarioübergreifenden Ba- sisdaten und zum anderen aus szenariospezifischen Atmahmen, die im Rahmen des vom Bundesmnweltministerium geförderten Projekts LithoRec in Zusarmnenarbeit mit den Projektpatinern aus der Automobilindustrie getroffen wurden. Szenarioübergrei- fende Basisdaten betreffen die Masse tmd W etistoffmengen der durchschnittlichen Batterien der Antriebskonzepte, die gegenwätiigen Marktpreise für die Wertstoffe so- wie die Einführungszeitpunkte der Alltriebskonzepte. Die entsprechenden Wetie kön- nen den Tabellen 1 und 2 entnommen werden. Neben diesen auf realen Daten beru- henden Werten werden in hohem Maß unsichere Faktoren über die Szenarien abgebil- det. Diese Faktoren betreffen die Marktentwicklung der Alltriebskonzepte sowie deren Nutzungsdauer, die Nutzungsdauer der Batterien, den At1teil der Batterievarianten an

Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien 411 den Antriebskonzepten, den Anteil der Batterien in W eiterve1wendung und die Dauer der W eiterve1wendung.

Antriebs- Einführungs- Elektrische LFP NMC NCA

konzept zeitpunkt Kapazität

Jahr [kWh] Masse [leg] Masse [kg] Masse [leg]

HEY 2010 1,3

-

-

PHEY 2012 16,0 195 167 178

BEY 2012 23,3 302 260 276

Tabelle I: Einfühnmgszeitpunkte und durchschnittliche Batteriekapazität der Antriebskonzepte sowie durchsclmittliche Masse der Batterien nach Antriebskonzept und Batterievariante²¹

Wertstoff Marlüpreis²²

Antriebskonzept Wertstoffmenge²³ [kg]

[USD/kg] LFP NMC NCA

HEY ^- 0,3 -

Lithium 35 PHEY 2,0 2,5 2,7

BEY 3,0 3,7 3,9

1-IEY - 0,8 -

Cobalt 40 PI-IEY - 7,2 3,4

BEY - 10,5 5,0

HEY

-

Nickel 30 PI--IEY - 7,1 18,1

BEY - 10,5 26,6

HEY - 0,7 -

Mangan 3 PHEY - 6,7 -

BEY - 9,8 -

HEY - 2,2

-

Aluminium 2 PHEY 4,8 4,0 5,0

BEY 7,2 6,1 7,4

1-IEY - 3,6 -

Kupfer 10 PI-IEY 17,9 13,9 16,7

BEY 27,4 21,4 25,5

Tabelle 2: Wertstoffe, ungefähre Marktpreise und Mengen nach Antriebskonzept und Batterievariante

21

12

23

Einführungszeitpunkt 1-IEY: Mercedes S400 Hybrid bereits erhältlich, Audi Q5 Hybrid ab Ende 2011 im Handel. PHEY: Opel Ampera (Range-Extender) für Ende 2011 angekündigt. BEY: E- Smart für 2012 angekündigt. Durchschnittliche Batteriekapazität aus Referenzwerten (HEY: Audi Q5 Hybrid, PI-IEY: Opel Ampera, BEY: YW E-up).

Preis für Lithium-Metall kontraktabhängig (berechnet aus Lithiumcarbonatpreis 2009: ca. 6,60 USD/kg). Cobalt, Nickel, Mangan, Aluminium, Kupfer: jeweils höchster Reinheitsgrad, London Meta] Exchange (lme.com), 2010/2011.

Im Rahmen des Projekts aufGrundJage von Expertenmeinungen ennittelte Durchschnittswerte.

412 Claas Hoyer, Karsten Kieckhäfer und Thomas S. Spengler

Das in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern entwickelte und im Rahmen des Fall- beispiels verwendete Szenario ist eines von insgesamt drei Szenarien zum zukünftigen Elektrofahrzeugmarkt und zur Batterietechnologie. Darin führen ein stark steigender Ölpreis sowie die elfolgreiche Marktaktivierung von Elektrofahrzeugen durch weitrei- chende Anreizprogrmm11e und hohe Subventionen zu einem (künstlich) beschleunigten Wachstum des Elektrofahrzeugmarkts. Wie von der Bundesregierung gewünscht, wird

bis 2020 ein Bestand von einer Million PHEV und BEV auf deutschen Straßen er-

reicht, langfristig wird ein Anteil der Elektrofahrzeuge von etwa sechzig Prozent am PKW-Absatz im Jahr 2040 angenommen. Gleichzeitig werden nur geringe technische Fmischritte bezüglich der Nutztmgsdauer der Batterien erreicht. Grundsätzlich eignen sich die Batterien gut für die Weiterverwendtmg in stationären Anwendungen, werden jedoch kaum nachgefragt. Die aus den Szenariovorgaben abgeleiteten Annahmen kön-

nen den Tabellen 3 und 4 entnmmnen werden. Darüber hinaus wird von einer voll- ständigen Rückgewinnung der Weristaffe ausgegangen.

24

25

Antriebskonzept

Einflussgröße Einheit

HEY PHEY BEY

Initiales Marktpotenzial Mio. Fzg. 0,20 0,80 0,2

Zeitpunkt Initiales Marktpotenzial Jahr 2030 2020 2020

Langfristiges Marktpotenzial Mio. Fzg. 0,15 15 5

Zeitpunkt Langfristiges Marktpotential Jahr 2040 2050 2050

Durchsclm. Fahrzeugnutzungsdauer²⁴ Jahre 12 10 10

Tabelle 3: Initiales und langfristiges Marktpotential sowie Lebensdauer der Antriebskonzepte

LFP NMC NCA Weiterverwendung

Anteil[%] Anteil[%] Anteil[%] Anteil Dauer

Antriebs- Nutzungsdauer Nutzungsdauer Nutzungsdauer [%] [Jahre]

konzepe⁵ [Jahre] [Jahre] [Jahre]

I-IEY 0 100 0 0 0

15 15 15

PI-IEY 20 70 10 2

10 10 10

BEY 20 70 10 15 2

5 5 5

Tabelle 4: Marktanteile, Nutzungsdauer und Weiterverwendungspotential der Batterien nach Antriebskonzept und Batterievariante

Fahrzeugnutzungsdauer basierend auf Kraftfahrt-Bundesamt (2007). Weitere Annahmen: Durch- schnittlich wird die Battetie in PI-IEY und BEY ein Mal ersetzt, so dass die Fahrzeugnutzungs- dauer abhängig von der Batterienutzungsdauer ist.

Nutzungsdauer I-IEY und BEY aus SatTe et al. (2004), PI-IEY aus Marano et al. (2009).

Strategische Plammg des Recyclings von Lithimn-Ionen-Traktionsbatterien 413 4.2 Auswertung

Ausgehend von der angenmmnenen Elektrofahrzeugmarktentwickhmg werden von Anfang 2012 bis Ende 2020 insgesamt 0,15 Millionen Hybridfahrzeuge sowie zusam- men 1,05 Millionen Flug-in-Hybridfahrzeuge tmd reine Elektrofahrzeuge verkauft. Die HEV betreffend führt dies nach Abzug von ca. 5.000 verschrotteten Fahrzeugen zu einem Bestand von etwa 145.000 Fahrzeugen im Jahr 2020. Im gleichen Zeitrallll1 werden zusatmnen tmgefähr 55.000 PHEV tmd BEV verschrottet, so dass sich eiwar- ttmgsgemäß ein Bestand von einer Million Fahrzeugen dieser Antriebskonzepte ergibt.

Durch weiteres Marktwachstlun sind 2025 ca. 200.000 Hybrid-, 2,1 Millionen Flug-in- Hybrid- und über eine halbe Million reine Elekh·ofahrzeuge auf deutschen Straßen tm- terwegs.

Die getroffenen Armahmen des stark wachsenden Elekh·ofahrzeugmarkts führen im Jahr 2025 zu einem entsprechend hohen Auflcmmnen von ca. 160.000 Altbatterien.

Etwas mehr als die Hälfte davon statmnen aus PHEV, 42 Prozent aus BEV und weni- ger als fünf Prozent aus HEV. Die gesamte Stückzahl der bis Ende 2025 anfallenden Altbatterien beträgt ca. 590.000 Stück im gleichen Verhältnis. Nem1enswerte jährliche Mengen (ca. 500 Stück) sind ab 2013 ausschließlich aus Fahrzeugverschrotttmgen zu erwarten. Die im Szenario auffünf Jahre begrenzte Nutzungsdauer der BEY-Batterien fülui 2017 zu einem Auflco1mnen von 5.000 Stück der Batterievariatlte. In diesem Jalu·

kmmnen ershnals jährlich mehr als zehntausend Altbatterien zusatmnen. Bis Ende 2020 fallen ca. 90.000 Altbatterien, in den fünf folgenden Jahrenaufgrund der starken Absatzraten der V mjahre tmd der begrenzten Lebensdauer der Falu·zeuge tmd Batte- lien eine halbe Million Altbatterien fiir das Recycling an. Abbildung 5 verdeutlicht die hohe Dynamik des Altbatterieauflcmmnens über die Zeit.

175.000

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Zeit [Jahr]

Altbatterien aus HEV !!lAitbatterien aus PHEV IIIAitbatterien aus BEV Abbildung 5: Stückzahlen des Altbatterieaufkommens nach Antriebskonzept über die Zeit

414 Claas Hoyer, Karsten Kiecld1äfer und Thomas S. Spengler

Auf die Masse bezogen ergibt sich im Jahr 2025 ein Aufkommen von 33.000 Tonnen.

Aufgrund der dimensionalen Unterschiede tragen BEV-Varianten zu 54 Prozent PHEV-Varianten zu 45 Prozent und I-IEV-Varianten zu weniger als einem Prozent bei:

Die gesamte Masse der bis Ende 2025 anfallenden Altbatterien beträgt ca.

123.000 Tonnen.

Den ökonomischen Wert des Altbatterieauflwmmens betreffend ergibt sich 2025 ein potentieller Erlös aus dem Verkauf der rückgewonnen Materialien von 127 Millionen US-Dollar und im gesamten Zeitraum 467 Millionen US-Dollar. Im Jahr 2015 können unter den getroffenen Annahmen so etwa 10 t Cobalt, 5 t Lithium, 15 t Nickel, 35 t Kupfer sowie je 10 t Mangan und Aluminium zurückgewonnen werden, der po- tentielle Erlös beträgt 1,5 Millionen US-Dollar. Aufgrund der ersten Rücldäufer be- sonders we1ivoller gealte1ier BEY-Batterien im Jahr 2017 ergibt sich ein starkes Wachstum von zuvor 2,5 Millionen US-Dollar (20 16) auf 8,5 Millionen US-Dollar. Im Jahr 2020 können bereits 200 t Cobalt, 100 t Lithium, 260 t Nickel, 590 t Kupfer, 180 t Mangan und 170 t A1Lm1üüum aus den Batterien zurückgewonnen und 25 Millionen US-Dollar erlöst werden. Im weiteren Verlauf steigen die potentiellen Erlöse um jähr- lich ca. dreißig bis vierzig Prozent. Aufgrund der ersten Rückläufer gealterter PI-IEV- Batterien ergibt sich im Jahr 2022 ein nochmaliger jährlicher Zuwachs um 48 Prozent.

2025 erzielen 1.000 t Cobalt, 450 t Lithium, 1.200 t Nickel, 2.800 t Kupfer, 860 t Mangan und 810 t Aluminium einen Erlös von 127 Millionen US-Dollar (vgl.

Abbildung 6).

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IE Mangan o Kupfer EJ Nickel

Lithium Cobalt

Abbildung 6: Potentielle Erlöse aus dem Verkaufvon rückgewonnenen Metallen

Aufgrund der hohen Unsicherheiten wird im Folgenden eine Sensitivitätsanalyse durchgefülui. Untersucht werden dabei der Einfluss der Batterienutzungsdauer sowie

Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien 415 der Einfluss der Anteile der Batterievarianten an den Antriebskonzepten auf den W e1i des Altbatterieauflmmmens. Die Entwicklung der Absatz- und Bestandszahlen der All- triebskonzepte wird als gegeben unterstellt.

Die Batterienutz1mgsdauer wird insbesondere reine Elektrofahrzeuge betreffend mit fünf Jahren als vergleichsweise kmz eingeschätzt. Umfassende Analysen sind derzeit jedoch nicht verfügbar. Für die Untersuchung wird deshalb eine durchschnittliche Nutzungsdauer jeder Batterievariante von minimal 5 Jahren 1md maximal 10 Jahren angenmmnen. Zm Analyse werden 1.000 Testinstanzen simuliert; die dmchschnittli- chen Nutzungsdauern der drei untersuchten Batterietypen werden unabhängig und gleichzeitig bei Unterstelhmg einer Gleichve1ieihmg variimi. Im Ergebnis liegen die potentiellen Erlöse 2025 im 95-Prozent-Konfidenzintervall zwischen ca. 80 und 110 Millionen US-Dollar, die Abweich1mg vom Basisszenario (127 Millionen US-Dollar) beträgt zwischen 12 Prozent und 36 Prozent. Abbild1mg 7 stellt die Ergebnisse dar.

Basisszenario 50%-75%

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Abbildung 7: Einfluss der durchschnittlichen Batterienutzungsdauer auf die potentiellen Erlöse

l!) N 0 N

Bezüglich der Batterievariantenanteile wird 1mtersucht, wie die jeweils einseitige Verwend1mg der unterschiedlich wertvollen Batterievarianten LFP respektive NMC in den Antriebskonzepten PHEV und BEV auf die potentiellen Erlöse wirkt. Bei einer ausschließlichen Ve1wend1mg von cobalt- tmd nickelfreiem LFP in den beiden All- triebskonzepten kö1men demnach nm noch 1mgefahr 180 statt 467 Millionen US- Dollar im Basisszenario erlöst werden. Die einseitige Ve1wendung von besonders co- balt- und nickelreichem NMC fühli dagegen zu einem höheren Erlös von 520 Millio- nen US-Dollar.

416 C1aas 1-Ioyer, Karsten Kiecld1äfer und Thomas S. Spengler 4.3 Handlungsempfeh!zmgen

Auf Grundlage der Auswertung des Szenarios können Handlungsempfehlungen zur strategischen Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien an poten- tielle Entscheidungsträger abgeleitet werden. Diese beziehen sich auf die Gestaltung von Netzwerken zur Sammlung der Altbatterien, auf die Behandlung der Altbatterien sowie auf das ökonomische Potential des Recyclings der Altbatterien.

Bezüglich der Sammlung ist festzustellen, dass Fahrzeughersteller die Redistributions- logistik :für die in ihre Fahrzeuge eingesetzten Batterien bereits heute planen müssen.

Anzunehmen ist dabei, dass die bestehenden Logistiknetzwerke dem hohen Aufkom- men ab 2015 nicht mehr gerecht werden können und erweiteti oder strukturell geän- deti werden müssen. Dabei muss die Sammlung der Altbatterien vor dem Hintergrund der hohen Dynamik des Aufkommens flexibel und (kosten-) effizient zugleich ausge- legt werden. Um dies zu eneichen, sollte die Möglichkeit zur Betreibung eines ge- meinsamen Redisttibutionssystems mit anderen Herstellern überprüft werden.

Die Behandlung der Altbatterien betreffend erscheinen bei mittelfristiger Betrachtung zunächst eher einzelne kleine Anlagen in der Größenordnung 1.000 bis 5.000 Stück/Jahr zur Demontage der Batterien und Separierung einzelner wetivoller Komponenten vmieilhaft. Hier sind, manuelle Demontage der Batterien vorausgesetzt, wenig Größendegressionseffekte zu erwarten, so dass sich eine stufenweise Etweite- rung der Anlagen anbietet. Die Aufbereitung und Rückgewinnung ausgewählter Me- talle wie Cobalt und Nickel aus den Batteriezellen könnte in bereits bestehenden Anla- gen erfolgen. In der langfristigen Perspektive istjedoch zu überprüfen, ob zur Nutzung von Größendegressionseffekten große und zentrale Anlagen mit spezialisierten Ver- fahren zur Rückgewinnung aller oben genannten Metalle in der Größenordnung von I 0.000 bis 30.000 Jahrestonnen zu verarbeitender Batterien errichtet werden sollten.

Angesichts des hohen ökonomischen Potentials ist das Recycling aller Wertstoffe der Batterien generell anzustreben. Die tatsächliche Wüischaftlichkeit hängt jedoch von vielen weiteren Faktoren wie der Effizienz der Verfahren und den sich durchsetzenden Batterievarianten ab. Bei zunehmendem Einsatz von LFP-Batterien ist die Entwick- lung spezialisietier Verfahren zm Rückgewinnung des Lithiums anzustreben. Die bis- lang verbreitete Behandlung von Batterien in pyrometallurgischen Verfahren erscheint in diesem Fallnicht mehr ökonomisch, da diese auf der selektiven Rückgewinnung der Metalle Cobalt und Nickel basieren. Um das Potenzial des Recyclings auch nutzen zu können, könnte die Ausfuhr der Zellen der Altbatterien in die gegenwätiig meist au- ßereuropäischen Herstellerländer kontrollieti und gegebenenfalls gesetzlich einge- schränkt werden. Angesichts der zu erwatienden stark steigenden weltweiten Nachfra- ge könnte so die Verfiigbarkeit von Metallen wie Lithium und Cobalt fiir die zukünfti- ge Produktion von Batterien auch innerhalb der Europäischen Union gewährleistet werden.

Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien 417 5 Diskussion

Das Ziel dieses Beih·ags besteht in der Abschätztmg der Entwickhmg des Altbatterie- aufkmmnens in Deutschland und dessen ökonomischer Bewertung. Dazu wird ein sze- nariobasieiies systemdynamisches Simulationsmodell entwickelt tmd exemplarisch anband der Zielsetzung der deutschen B1mdesregierung, bis 2020 einen Bestand von einer Million Elekh·ofahrzeuge auf deutschen Straßen zu erreichen, angewandt. Die Ergebnisse zeigen ein erhebliches Aufkmmnen von fast 590.000 Batterien und ein ho- hes ökonomisches Potential von 467 Millionen US-Dollar bis zum Ende des Jahres 2025. Dieses hohe Aufkmmnen resultiert vor allem aus der schnellen Marktdurchdrin- gung von Elektrofahrzeugen.

Die dargestellte Abschätzung des Altbatterieaufkmmnens kann Batterie- 1md Fahr- zeughersteUern sowie Unternehmen der Recycling- und Rohstoffbranche helfen, in der Zuklmft benötigte Gesamtkapazitäten für ihre logistischen Systeme und Anlagen abzu- leiten. Neben dem vorgestellten Szenario sind hierbei allerdings weitere Szenarien zu be1iicksichtigen. Dazu kann das entwickelte Modell mit unternehmensinternen Erwar- tungen, beispielsweise zur Fahrzeugmarktentwicld1mg oder Batterienutzungsdauer, parametriert werden. Weiterhin ist zur Verbesserung der Ergebnisgüte dmiiber nach- zudenken, bislang statisch angelegte Größen wie die Batterienutzungsdauer oder die Batterievariantenanteile an den Antriebskonzepten zeitlich variabel zu gestalten und die Batterienutzungsdauer stochastisch zu modellieren. Hier gilt jedoch zu beachten, dass von einer scheinbaren Erhöhung der Genauigkeit vor dem Hintergnmd der domi- nierenden Unsicherheiten kamn zusätzliche Implikationen auf die langfiistige Ab- schätZlmg zu erwmien sind.

AufBasis der gewonnenen Daten können in einem nächsten Seillitt weitere Fragestel- hmgen der strategischen Plammg des Recyclings von Lithium-Ionen- Traktionshattelien beantwmiet werden. Forschungsbedarf besteht insbesondere in der Beantwortung der Fragestell1mg, welche Aufbereihmgsverfam·en aus ökonomischen tmd ökologischen Gesichtsp1mkten angewandt werden sollten. HierZll wird der vorge- stellte Ansatz mn einen aktivitätsanalytischen Ansatz zur Bewertung der resultieren- den Stoffströme erweitert.

6 Anmerkung

Die Autoren danken dem B1mdesministerium für Umwelt, Naturschutz 1md Reaktorsi- cherheit für die Förderung des dieser Arbeit zugnmdeliegenden Forschungsvorhabens

"LithoRec- Recycling von Lithium-Ionen-Batterien"

(Förderkennzeichen 16EM0023).

418 Claas Hoyer, Karsten Kiecld1äfer und Thomas S. Spengler

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