End of Life (EoL)
Heutige Elektroautos fahren mit Lithium-Ionen-Akkus. Diese verschlechtern sich sowohl durch Benutzung als auch einfach mit der Zeit (kalendarische Lebensdauer). Dabei ist dieser Prozess anders als bei anderen Batterie-Technologien bis zu einem gewissen Grad sehr langsam. Wenn der Akku aber einmal weniger als 80% der ursprünglichen Kapazität hat, kann es schnell gehen, dass die Kapazität zusammenbricht – so genau weiss man das aber heute noch nicht und die Gründe dafür werden noch erforscht. Darum hat sich die Industrie geeinigt die Lebensdauer mit 80% anzugeben. Hat man beispielsweise einen Tesla mit 100 kWh Akku gekauft, und hat er einmal nur noch 80kWh Kapazität, gilt der Akku als defekt, auch wenn man damit noch immer 400 km weit fahren kann (wenn man von etwa 20 kWh pro 100km rechnet). Neue Entwicklungen verbessern stetig die Haltbarkeit, wann diese 80% Grenze erreicht ist:
- Umgebungstemperatur der Batterien (deshalb kühlen und heizen Elektroautos ihre Batterien)
- Ladeströme und Ladehub
- Entladeströme und Entladehub
Durch flaches Laden und Entladen wird die Haltbarkeit stark überproportional verbessert, das heißt, dass ein Lithium-Ionen-Akku, von dem statt 100 % nur 50 % der maximalen Kapazität entladen und dann wieder geladen werden, die mehr als doppelte Zyklenzahl durchhält. Der Grund hierfür ist, dass bei vollständig entladenem und vollständig geladenem Akku hohe Belastungen für die Elektroden entstehen. Optimalerweise werden bei solchen seicht zyklisierten Akkus sowohl die Ladeschlussspannung reduziert als auch die Entladeschlussspannung erhöht. Es steht also weniger Nettokapazität zur Verfügung als der Akku in seinen Bruttoangaben nach hätte.
Als Faustregel kann man sagen ein Lithium-Ionen-Akku hält mindestens 500 Vollzyklen bis er 80% seiner Kapazität hat. Wie weit fährt ein Auto damit? 100kWh Akku, lineare Abnahme zwischen 100% und 80%, also im mittel 90 kWh, 500 Ladungen entsprechen 45’000 kWh, fährt man durchschnittlich mit 20 kWh pro 100km, käme man damit 225’000 km – wie falsch man damit liegen kann, zeigen echte Daten von Tesla Fahrern, die viel weiter kommen:
(Originaldaten: https://docs.google.com/spreadsheets/d/t024bMoRiDPIDialGnuKPsg/edit#gid=1669966328)
Recycling
Wenn der Akku aber am Ende ist, muss er ausgetauscht werden. Wie man Lithium-Ionen-Akkus wiederverwenden kann, zeigt das Schweizer Unternehmen Batrec Industrie AG in Wimmis (Kapazität 5000 t pro Jahr). Hier werden auch ganz normale Haushaltsbatterien rezykliert, aber auch Lithium-Ionen-Akkus aus Mobiltelefonen, Laptops und Elektroautos: Li-Ionen-Batterien enthalten nach RoHS (Restriction of Hazardous Substances) im Gegensatz zu anderen Batteriesystemen keine gefährlichen Stoffe und haben deshalb einen Umweltvorteil. Die verwendeten zum Teil besonders teuren Materialien in Li-Ionen-Zellen wie bspw. Cobalt und Nickel können mit Hilfe physikalischer und chemischer Verfahren zum Großteil wiederverwertet werden. So können in der Schweiz wichtige Rohstoffe aus dem Abfall geschürft werden: Eisen, Kupfer, Mangan, Nickel, Cobalt und Zink
Heute bleibt Lithium in der Schlacke gebunden und wird beispielsweise im Baugewerbe genutzt. Das Recycling des Elektrolyt ist kaum oder nicht möglich. Deutlich wird, dass Lithium im Vergleich zu anderen verwendeten Metallen einen sehr geringen Anteil an der Gesamtmasse der Batterie ausmacht. Zusätzlich besitzt es verglichen mit Cobalt oder Nickel einen geringen Preis. Daraus lässt sich schließen, dass das Recycling von Lithium heute noch nicht wirtschaftlich ist. In Deutschland steht im niedersächsischen Harz die weltweit erste Anlage zur Rückgewinnung von hochreinem Lithium, aus dem wieder neue Batterien hergestellt werden. So könnten zukünftige Akku-Generationen mit lokalen Rohstoffen aus der Wiederaufbereitung gebaut werden und Rohstoffengpässe abgefedert werden. (Kompendium Li-Ionen Batterien)
Durch die Knappheit einiger verwendeter Ressourcen und den gleichzeitig steigenden Bedarf wird zukünftig das Recycling in rohstoffarmen Ländern wie der Schweiz einen großen Stellenwert gewinnen. Dies betrifft besonders die verwendeten Materialien für Elektroden wie bspw. Cobalt, Mangan oder Nickel. Das
wirtschaftliche Potenzial für Recyclingkonzepte ist dabei immens. Das es heute aber schon gut funktioniert, zeigen viele Firmen. Details zu den Verfahren verraten aber die Wenigsten (Präsentation / Patent)
Second Life
Neben dem noch komplexen Recycling haben künftig sogenannte „Second-Life Konzepte“ von Li-Ionen-Batterien mit 80% Restkapazität ein großes ökologisches als auch ökonomisches Potential. Derartige Batterien haben in der Regel noch ausreichende Kapazitäten für Zweitanwendungen mit geringeren Anforderungen und können dadurch je nach Anwendung eine Lebensdauer von 20 Jahre und mehr erreichen. Durch die Zweitvermarktung der Batterien kann die Ökobilanz verbessert und es können zudem zusätzliche Einnahmen generiert werden.
The Mobility House AG mit Sitz in Zürich und München plant für Renault-Nissan ein Grossspeicherprojekt mit über 100MW. Mit dem Joint Venture Coulomb GmbH zeigen sie bereits heute wie Batterien einen wichtigen Beitrag zur Stromnetzstabilität leisten können (Link) – die Batterien werden als Schwarmspeicher in einem virtuellen Kraftwerk zur Regelleistungserbringung genutzt. Ein Bericht zweier Institute aus den USA zeigt dabei auf, welche Schwierigkeiten solche Unternehmen haben (Link):
- Komplexe regualtorische Vorgaben limitieren die Marktzugänge und Erhöhen die Kosten
- Fehlen von Batteriedaten und zuverlässigen Leistungsabschätzung im zweiten Anwendungszyklus
- Unklarheiten bei Garantieansprüchen nach der Verwendung im ersten Anwendungszyklus
Auch in der Schweiz wird geforscht wie Batteriespeicher netzdienlich eingesetzt werden können (Masterarbeit Michal Koller ETHZ) und wirtschaftlich sinnvoll genutzt werden können (Pressemitteilung)