Was bedeutet Nachhaltigkeit in der Batterieproduktion

Wie lässt sich die große Nachfrage nach Elektromobilität nachhaltiger gestalten?

Der Marktanteil der europäischen Batterieproduktion liegt derzeit bei etwa 17 Prozent des weltweiten Marktes. Dieser Anteil soll bis 2030 auf 26 Prozent steigen und viele Batteriezellhersteller haben einen Ausbau ihrer Kapazitäten in Europa geplant. Hier sind es insbesondere Northvolt, ACC, FAAM und Italvolt, die große Erweiterungen geplant haben.

Der größte Teil der Kapazitäten stammt allerdings aus Asien, insbesondere China und Korea, hier insbesondere von CATL, EVE, Samsung SDI und SK On.

Quelle: stock.adobe.com – Arif

Die europäische Batterieherstellung bringt etliche Herausforderungen mit sich, wie z. B.:

Jeder dieser aufgeführten Punkte ist es wert, einzeln betrachtet zu werden. Aber konzentrieren wir uns zunächst auf die Nachhaltigkeit bei der Produktion.

Nachhaltigkeit in der Batterieproduktion bedeutet, ökologische, soziale und wirtschaftliche Aspekte gleichermaßen zu berücksichtigen, um negative Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren und gleichzeitig die Ressourceneffizienz zu maximieren.

Aspekt der Rohstoffgewinnung

Die zunehmende Nachfrage nach Batterien, insbesondere für Elektrofahrzeuge und stationäre Energiespeicher, hat zu einem steigenden Bedarf an kritischen Metallen wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan geführt. Diese Rohstoffe sind jedoch oft mit erheblichen ökologischen und sozialen Herausforderungen verbunden. Ein nachhaltiger Ansatz in der Rohstoffgewinnung ist daher entscheidend, um die negativen Auswirkungen zu minimieren und die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

  1. Lithium wird hauptsächlich aus Salzseen in Ländern wie Chile, Argentinien und Bolivien sowie aus Hartgestein in Australien gewonnen. Die Extraktion aus Salzseen erfordert große Mengen Wasser, was in den Regionen zu Wasserknappheit und negativen Auswirkungen auf lokale Ökosysteme führen kann. Der Abbau aus Hartgestein ist energieintensiv und verursacht erhebliche CO₂-Emissionen.
  2. Kobalt wird hauptsächlich in Kongo abgebaut, oft unter problematischen Bedingungen. Der Abbau verursacht Bodendegradation, Wasser- und Luftverschmutzung sowie den Verlust von Biodiversität.
  3. Nickel wird in verschiedenen Ländern, darunter Indonesien, Russland und Kanada, abgebaut. Der Abbau und die Verarbeitung von Nickel sind energieintensiv und können zu erheblichen Treibhausgasemissionen führen. Zudem können die Minen zur Verschmutzung von Wasserquellen und zur Zerstörung von Lebensräumen beitragen.
  4. Mangan schließlich wird in Ländern wie Südafrika, Australien und China abgebaut. Der Abbau führt zu Bodenerosion, Wasserverschmutzung und kann auch zum Verlust der Bodenfruchtbarkeit führen.

Aber auch die sozialen Auswirkungen müssen in Betracht gezogen werden. Arbeitsbedingungen sind in vielen Abbauregionen prekär. Arbeiter sind oft ungeschützt und arbeiten unter gefährlichen Bedingungen. Auch Kinderarbeit und Zwangsarbeit sind in einigen Regionen an der Tagesordnung.

Die Arbeit in den Minen ist mit erheblichen Gesundheits- und Sicherheitsrisiken verbunden. Der Staub, die Chemikalien und die schweren Maschinen stellen besondere Gefahren dar. Während der Abbau dieser Rohstoffe oft wirtschaftliche Chancen bietet, führt er auf der anderen Seite oft zu sozialer Ungleichheit und Konflikten. Die lokale Bevölkerung ist selten der Profiteur und Umsiedlungen und die Zerstörung der Umwelt gehen häufig mit dem Abbau einher.

Was kann man also tun?

Es geht um die verantwortungsvolle Beschaffung der Rohstoffe. Die Unternehmen können durch die Implementierung von Transparenz- und Rückverfolgbarkeitssystemen sicherstellen, dass die Rohstoffe aus verantwortungsvollen Quellen stammen. Zertifizierungssysteme, wie z. B. der Cobalt Refinery Supply Chain Due Dilligence Standard, tragen dazu bei, soziale und ökologische Standards einzuhalten. Aber auch Fortschritte in der Technologie können Effizienz und Nachhaltigkeit bei der Gewinnung der Rohstoffe verbessern. Verbesserte Methoden zur Extraktion und Verarbeitung von Lithium können den Wasserverbrauch und die CO2-Emissionen reduzieren, bessere Recyclingtechnologien die Abhängigkeit von primären Rohstoffquellen verringern und den Bedarf an neu abgebauten Metallen reduzieren.

Kreislaufwirtschaftsprinzipien tragen dazu bei, den Rohstoffverbrauch zu senken und die Nachhaltigkeit zu erhöhen. Durch Recycling und Wiederverwendung von Batterierohstoffen kann der Bedarf an neu abgebauten Ressourcen gesenkt werden.

Natürlich spielen Regierungen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Rohstoffgewinnung. Strenge Umwelt- und Sozialstandards sowie die Durchsetzung von Gesetzen zum Schutz der Rechte von Arbeitern und lokalen Gemeinschaften sind sehr wichtig. 

Unternehmen können durch Corporate Social Responsibility (CSR)-Initiativen sowie Partnerschaften mit NGOs und lokalen Gemeinschaften positive soziale Effekte erzielen. Investitionen in lokale Infrastruktur, Bildung und Gesundheitsversorgung tragen dazu bei, die Lebensqualität in Abbauregionen zu verbessern.

Es gibt Initiativen und Projekte, die eine solche nachhaltige Rohstoffgewinnung in der Praxis umgesetzt haben. Die Responsible Cobalt Initiative von Unternehmen wie Apple, BMW und Samsung zielt darauf ab, Arbeitsbedingungen und Umweltpraktiken in der Kobaltlieferkette zu verbessern. Durch Zusammenarbeit mit lokalen Gemeinschaften und der Unterstützung von Zertifizierungssystemen wird versucht, die negativen Auswirkungen des Kobaltabbaus zu minimieren.

Das niederländische Unternehmen Fairphone setzt sich für eine faire und nachhaltige Elektronikproduktion ein. Fairphone bezieht Rohstoffe aus konfliktfreien und verantwortungsvollen Quellen und setzt sich für Transparenz und ethische Geschäftspraktiken in der gesamten Lieferkette ein.

Im Project Lithium arbeiten z. B. verschiedene Forschungseinrichtungen und Unternehmen an Projekten zur Entwicklung umweltfreundlicherer Methoden zur Lithiumgewinnung. Beispielsweise wird an Verfahren geforscht, die den Wasserverbrauch bei der Lithiumextraktion aus Salzseen reduzieren.

Fertigungsprozess

Die Produktion von Batterien ist energieintensiv und kann zu erheblichen CO2-Emissionen führen. Um hier die Nachhaltigkeit zu erhöhen, ist es wichtig, den Energieverbrauch in der Produktion zu reduzieren und auf erneuerbare Energien zu setzen. Einige Batteriehersteller machen dies bereits und setzen auf grüne Energiequellen wie Solar- und Windkraft, um ihre Bilanz zu verbessern.

Auch innovative Produktionstechniken tragen dazu bei, den Energieverbrauch zu senken. So können z. B. fortschrittliche Fertigungsverfahren wie das Trockenelektrodenverfahren die Energieeffizienz erheblich steigern. Auch die Entwicklung von Festkörperbatterien, die sicherer und langlebiger sind, tragen langfristig zu einer nachhaltigeren Batterieproduktion bei.

Alle Schritte von der Gewinnung der Rohstoffe bis hin zum Formierungsprozess der Batteriezellen sind überaus energieintensiv:

  1. Der Abbau und die Verarbeitung von Metallen wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan sind energieaufwendig und verursachen erhebliche CO2-Emissionen. Die Rohstoffe müssen gereinigt, verarbeitet und in aktive Materialien wie Kathoden und Anoden umgewandelt werden.
  2. Die Herstellung der Elektroden umfasst Prozesse wie das Mischen, Beschichten und Trocknen, die alle erhebliche Mengen an Energie erfordern. Insbesondere das Trocknen der Elektrodenbeschichtungen ist ein sehr energieintensiver Prozess.
  3. Bei der Zellassemblierung schließlich werden die Elektroden zusammengefügt und in eine Zellstruktur eingebaut. Dieser Schritt umfasst das Stapeln oder Wickeln der Elektroden sowie das Einfüllen des Elektrolyts.
  4. Nach der Assemblierung schließlich durchlaufen die Batteriezellen einen Formierungsprozess, bei dem sie zum ersten Mal geladen und entladen werden. Dieser Prozess stabilisiert die Zellchemie und ist ebenfalls sehr energieintensiv. Anschließend müssen die Zellen altern, was zusätzliche Energie erfordert.

Der Fokus auf erneuerbare Energien kann also helfen, den ökologischen Fußabdruck der Batterien erheblich zu verbessern. Gigafactories, die mit Solarenergie betrieben werden, oder Produktionsstätten, die vollständig auf erneuerbare Energien umgestellt wurden, sind gute Beispiele hierfür.

Aber auch die einzelnen Produktionsprozesse können optimiert werden, um ihren Anteil zu einer verbesserten Bilanz beizutragen. Traditionell werden Elektroden durch das Aufbringen einer nassen Paste auf ein Trägermaterial hergestellt, gefolgt von einem energieintensiven Trocknungsprozess. Das Trockenelektrodenverfahren eliminiert diesen Trocknungsschritt und reduziert somit den Energieverbrauch erheblich.

Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer Batteriedesigns mit hoher Präzision und Effizienz. Durch die additive Fertigung können Materialabfälle minimiert und die Produktionsprozesse optimiert werden.

Mit KI generiertes Bild (Adobe Firefly) – Die Herstellung der Lithiumbatterien

Der Einsatz von energieeffizienteren Maschinen und Anlagen in der Produktion kann den Gesamtenergieverbrauch senken. Moderne Fertigungstechniken und Automatisierung können ebenfalls dazu beitragen, den Energieverbrauch zu optimieren.

Durch die Optimierung der Produktionslinien und die Reduzierung von Abfall kann der Energieverbrauch weiter gesenkt werden. Lean Manufacturing und andere effizienzsteigernde Methoden helfen dabei, die Prozesse zu verbessern und den Ressourcenverbrauch zu minimieren.

Und schließlich können auch neue Technologien dazu beitragen, die CO2-Bilanz der Batterien zu verbessern. Festkörperbatterien z. B. ersetzen den flüssigen Elektrolyten durch einen festen, was die Sicherheit erhöht und potenziell die Lebensdauer und Effizienz der Batterien verbessert. Die Integration von Recyclingtechnologien in den Produktionsprozess kann dazu beitragen, den Energieverbrauch zu senken. Effiziente Recyclingverfahren gewinnen wertvolle Rohstoffe zurück und verringern die Abhängigkeit einer energieintensiven neuen Rohstoffgewinnung.

Natrium-Ionen-Batterien verwenden Natrium anstelle von Lithium, was die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen verringert und potenziell weniger energieintensive Produktionsprozesse erfordert. Natrium ist leichter verfügbar und weniger umweltbelastend als Lithium.

Organische Batterien verwenden organische Verbindungen anstelle von Metallen als aktive Materialien. Diese Batterien sind umweltfreundlicher und können aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt werden. Sie bieten somit auch die Möglichkeit, vollständig recycelbare Batterien zu entwickeln.

Recycling und Kreislaufwirtschaft

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Nachhaltigkeit ist das Recycling von Batterien. Derzeit wird nur ein kleiner Prozentsatz der Batterien recycelt. Effiziente Verfahren können dazu beitragen, die Abhängigkeit von neuen Rohstoffen zu verringern und die Umweltbelastung zu minimieren.

Eine Kreislaufwirtschaft, in der die Batterien nach ihrer Lebensdauer recycelt und wiederverwendet werden, ist entscheidend für die Nachhaltigkeit. Die Entwicklung von effizienten Recyclingtechnologien, die Schaffung von Anreizen für das Recycling, eine verbesserte Informierung der Verbraucher über die Bedeutung des Batterierecyclings und entsprechende Sammelsysteme müssen etabliert werden, möchte man hier vorankommen. Aber wir benötigen auch ein neues modulares Design von Batterien, eine Vermeidung gefährlicher Materialien und die Kennzeichnung von Komponenten. All dies trägt zu einer effizienten Kreislaufwirtschaft bei.

Es gibt eine Vielzahl von Batterietypen, einschließlich Lithium-Ionen-, Nickel-Metallhydrid- und Blei-Säure-Batterien, die unterschiedliche Recyclingprozesse erfordern. Wertvolle Metalle wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan können hier zurückgewonnen werden. Diese Metalle sind knapp und teuer, daher ist ihre Rückgewinnung wirtschaftlich sinnvoll und reduziert die Abhängigkeit von primären Rohstoffquellen.

Diese Vielfalt macht die Standardisierung von Recyclingverfahren schwierig. Die Batterien selbst bestehen ja aus einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Metallen, Kunststoffen und Elektrolyten. Die Trennung und Rückgewinnung dieser Materialien erfordern fortschrittliche Technologien und Verfahren. Das Recycling wiederum birgt potenzielle Sicherheitsrisiken, einschließlich der Gefahr von Bränden und chemischen Reaktionen. Daher sind spezielle Sicherheitsmaßnahmen und Technologien erforderlich, um diese Risiken zu minimieren.

Und letztendlich kann das Recycling auch neue Geschäftsmöglichkeiten und Arbeitsplätze schaffen. Unternehmen, die sich auf das Recycling und die Wiederverwendung von Batteriematerialien spezialisieren, können von der wachsenden Nachfrage nach nachhaltigen Lösungen profitieren.

Mechanische Trennung

Bei der mechanischen Trennung werden Batterien zunächst zerkleinert, und die verschiedenen Materialien werden mittels physikalischer Prozesse wie Magnetabscheidung und Siebung getrennt. Diese Methode ist effizient, jedoch oft nur der erste Schritt im Recyclingprozess. Hydrometallurgische Verfahren nutzen chemische Lösungen, um Metalle aus den Batteriekomponenten zu extrahieren. Die Materialien werden in Säuren oder Basen gelöst, und die Metalle werden durch verschiedene chemische Reaktionen zurückgewonnen. Hydrometallurgie ist besonders effektiv bei der Rückgewinnung von Lithium, Kobalt und Nickel.

pyrometallurgisches Verfahren

Bei pyrometallurgischen Verfahren werden die Batterien bei hohen Temperaturen geschmolzen, um die Metalle zu trennen. Diese Methode ist besonders nützlich für die Rückgewinnung von Kobalt und Nickel, kann jedoch zu einer höheren Umweltbelastung führen und erfordert energieintensive Prozesse. Direct Recycling zielt darauf ab, Batteriematerialien direkt wiederzuverwenden, ohne sie in ihre Grundbestandteile zu zerlegen. Dies könnte die Effizienz des Recyclingprozesses erheblich steigern und die Qualität der zurückgewonnenen Materialien verbessern.

Man kann aber auch die Lebensdauer von Batterien verlängern. Wiederaufbereitung, Reparatur und Wiederverwendung gebrauchter Batterien aus Elektrofahrzeugen in stationären Energiespeichersystemen tragen zu einer effektiven Kreislaufwirtschaft bei.

Die Zukunft einer nachhaltigen Batterieproduktion ist vielversprechend, setzt jedoch kontinuierliche Bemühungen und Innovationen voraus. Die Entwicklung neuer Materialien, Optimierung der Produktionstechnologien, Förderung von Recycling und Kreislaufwirtschaft sowie politische und regulatorische Maßnahmen können die Batterieindustrie entscheidend zur globalen Energiewende und zu einer nachhaltigen Zukunft beitragen lassen. Eine enge Zusammenarbeit zwischen Industrie, Forschung und Politik ist dabei unerlässlich, um Herausforderungen zu meistern und das volle Potenzial auszuschöpfen.

Dr. Ronald Hinz, Market Intelligence Senior Experte

Quellen:

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