Wie umweltschädlich ist die Batterieproduktion?

Lithium-Ionen-Batterien haben die besten Eigenschaften

Leistungsstarke Batterien sind der entscheidende Faktor beim Umstieg von Autos mit Verbrennungsmotor auf solche mit Elektroantrieb. Die Traktionsbatterien müssen dabei verschiedene Anforderungen erfüllen: Eine hohe Energiedichte, um das Gewicht gering zu halten, Robustheit gegenüber Lade-und Entladezyklen für eine hohe Langlebigkeit, eine geringe Temperatursensibilität, um den Einfluss von Umgebungstemperaturen zu minimieren sowie die Fähigkeit, schnell geladen zu werden. Nach dem heutigen Stand der Forschung werden diese Kriterien am besten von sogenannten Lithium-Ionen-Akkus erfüllt. Die Bezeichnung rührt daher, dass sich bei diesem Batterietyp Lithium-Ionen zwischen den beiden Polen hin- und herbewegen.

Verbaute Materialien in Batterien

Neben dem namengebenden Lithium stecken in den Batterien aber auch noch zahlreiche andere Materialien. In einer 60 kWh Batterie neuerer Bauart befinden sich 5 kg Lithium, 5kg Kobalt, 39 kg Nickel, 5kg Mangan, 45 kg Graphit, 30 kg Aluminium, 20 kg Kupfer und 20 kg Stahl.

Eine Schwierigkeit im Zusammenhang mit diesen Rohstoffen ist, dass deren Abbau einen ökologischen und sozialen Fussabdruck hinterlässt. Besonders im Fokus bezüglich der negativen Effekte auf Mensch und Umwelt stehen unter anderem Lithium, dessen Förderung in ohnehin schon trockenen Regionen einen hohen Wasserverbrauch verursacht, und auch Kobalt. Rund 60% dieses Metalls werden im Kongo abgebaut, wo es oft an vertretbaren Sozial- und Sicherheitsstandards mangelt. Bei der problematischen Herkunft dieser Rohstoffe gilt es allerdings zu bedenken, dass dies auch auf die Förderung fossiler Brennstoffe und den Rohstoffabbau ganz allgemein zutrifft.

CO₂ Bilanz nach 40'000 km ausgeglichen

Neben den ökologischen und sozialen Auswirkungen beim Rohstoffabbau sind die Prozesse für die Batterieproduktion auch sehr energieintensiv. Gemäss einer vielbeachteten Studie des IVL Swedish Environmental Research Institute aus dem Jahr 2019 entstehen bei der Herstellung der Batterien im Durchschnitt zwischen 61 und 106 Kilogramm CO₂-Äquivalente pro Kilowattstunde produzierter Batteriekapazität. Damit läuft ein Elektroauto tatsächlich mit einem grösseren Emissionsrucksack vom Stapel als ein Auto mit Verbrennungsmotor. Weil E-Autos im Betrieb dann aber deutlich weniger Emissionen verursachen, ist dieses Handicap bereits nach relativ kurzer Zeit wieder ausgeglichen. Gemäss dem Berechnungstool Carculator des Paul Scherrer Instituts fällt die Ökobilanz eines E-Autos ab rund 40'000 Kilometern im Vergleich deutlich besser aus. Bei einem Lebenszyklus von 200'000 Kilometern ist bei Schweizer Strommix mit Einsparungen von 30 Tonnen CO₂ zu rechnen. Bei zunehmender Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen wird sich diese Bilanz zudem noch weiter verbessern.

CO₂-Äquivalente für Mittelklassefahrzeuge 2023

Vielversprechende Lösungsansätze

Auch wenn Elektroautos aus ökologischer Sicht also auf jeden Fall die bessere Wahl sind, gibt es rund um die Batterieproduktion und -entsorgung eindeutig noch Verbesserungspotential. Das Gute daran ist, dass dies weitgehend erkannt ist und es bereits verschiedene vielversprechende Lösungsansätze gibt. Diese reichen von regulatorischen Massnahmen, über Veränderungen der Materialzusammensetzung bis hin zur Verbesserung des Recyclings alter Batterien.

Regulatorische Massnahmen

Ein wichtiger regulatorischer Schritt auf dem europäischen Markt ist die EU-Batterieverordnung, die seit Februar 2024 in allen EU und EWR-Ländern gilt. Die Verordnung zielt darauf ab, die Recyclingrate zu verbessern und entlang des gesamten Produktionsprozesses verantwortungsvolle und nachhaltige Praktiken zu fördern. Zudem soll auch die Innovation und Produktion in Europa gefördert werden, was für mehr Transparenz bei den Lieferketten sorgen wird.

Veränderung der Materialzusammensetzung

Um die Abhängigkeit von seltenen und problematischen Rohstoffen wie Kobalt und Lithium zu verringern, wird in der Batterieforschung die Reduktion und Substitution dieser Materialien in den Batteriezellen verfolgt. Zukunftsweisend ist etwa die Entwicklung von Lithium-Eisenphosphat (LFP) Batterien, die von verschiedenen Autoherstellern vermehrt, nicht zuletzt auch aufgrund der niedrigeren Kosten, eingesetzt werden.

Second Life und Recycling Eine zunehmende Herausforderung wird zudem auch der Umgang mit den Batterien ausgedienter Elektroautos sein. Hier bietet sich zunächst die Option, die Batterien als stationäre Speicherbatterien, z.B. bei Photovoltaikanlagen, bei Ladestationen (vgl. dazu diese Lösung von GOFAST) oder in Kraftwerken einzusetzen. Bei fortschreitender Degradation durch Alter und Ladezyklen kommt aber auch die Second Life Verwendung zu einem Ende. Die Dauer dieser Zweitanwendung kann rund 10 Jahre betragen.

Ab diesem Zeitpunkt gilt der Fokus der Rückgewinnung der wertvollen Metalle in den Batteriezellen. Recycling von Altbatterien ist in der Schweiz gesetzlich vorgeschrieben. Dabei gehören die Firmen Batrec AG, Librec AG und Kbyurz Switzerland AG zu den Innovationspionieren beim Recycling von Lithium-Ionen-Akkus. Als eines der ersten Schweizer Unternehmen gewinnt Kyburz Switzerland mit einem mechanischen Verfahren schon heute über 90% der Rohstoffe aus den hauseigenen Lithium-Eisenphosphat-Batterien zurück. In Zusammenarbeit mit dem deutschen Unternehmen Vitesco Technologies GmbH sollen die Prozesse in Zukunft industrialisiert und für die höhere Nachfrage optimiert werden. Die Batrec AG und die Librec AG extrahieren die wertvollen Rohstoffe Kobalt, Nickel, Mangan, Lithium, Kupfer, Aluminium in einem mechanisch-chemischen Aufbereitungsverfahren. Die Librec AG will im zweiten Quartal 2024 den Betrieb in Biberist mit einer Recyclingkapazität von 10'000 Tonnen pro Jahr aufnehmen. Darüber hinaus werden in ganz Europa Recyclinganlangen für Lithium-Ionen-Batterien mit hohen Rückgewinnungsraten gebaut. Bei diesen erfreulichen Initiativen muss allerdings auch bedacht werden, dass Batterierecycling derzeit nicht rentabel ist. Wie profitabel das Geschäft mit der Wiederverwertung ist, hängt von den Rohstoffpreisen und regulatorischen Anreizen wie vorgezogenen Entsorgungsgebühren ab.

Fazit

Lithium-Ionen Akkus eignen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte, Temperaturrobustheit und Schnellladefähigkeit derzeit am besten als Traktionsbatterien für Elektroautos. Der Abbau der Rohstoffe für diese Batterien ist allerdings sowohl aus ökologischer als auch sozialer Sicht nicht unproblematisch. Obwohl auch die Erdölförderung mit negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt verbunden ist, läuft ein neues Elektroauto im Vergleich zu einem Verbrennerfahrzeug damit tatsächlich mit einem grösseren CO₂-Fussabdruck vom Band. Aufgrund der geringen Emissionen beim Fahren ist dieser Rückstand aber nach rund 40'000 ausgeglichen. Um die negativen Auswirkungen der Batterieproduktion zu verringern, laufen Verbesserungsmassnahmen auf verschiedenen Ebenen. In der Batterieforschung wird die Substituierung von problematischen Materialien wie Kobalt und Lithium etwa mit Lithium-Eisenphosphat (LFP) Batterien verfolgt. Auf politischer Ebene wird die Situation durch griffige Regulatorien und die Förderung des Produktionsstandorts Europa verbessert. Und bezüglich der zu erwartenden Entsorgung und Wiederverwertung werden zahlreiche Batterierecyclinganlagen mit Rückgewinnungsraten von über 90 Prozent gebaut. Bei allen Herausforderungen stimmt es zuversichtlich, dass die Problematik von Industrie und Politik erkannt ist und sowohl durch Innovation als auch durch Regulierungen deutliche Verbesserungen Richtung nachhaltige Zukunft gemacht werden.