Schatzkiste Alt-Akku

Hinter dem Produktionsleiter fährt der Gabelstapler das Batteriesystem zur Tiefen-Entladung mit anschließendem Kurzschließen. Das ist aus Sicherheitsgründen die Voraussetzung für alle weiteren Schritte. Die in den Akkus noch gespeicherte elektrische Energie wird genutzt. „Die Batterien bringen bei uns den Strom für ihr Recycling selbst mit.“ Julius Schumacher weist auf einen Bildschirm mit auf- und ablaufenden Zahlenreihen. Sie zeigen an, wie viel Energie durch die Entladung gewonnen, wie viel aus dem Netz bezogen und wie viel eingespeist wird. Häufig stellt der Entladestrom den Großteil der benötigten Energie. Nicht selten können Überschüsse eingespeist werden. Der geringe Energieverbrauch ist eine der Besonderheiten des Verfahrens von Duesenfeld.

Andere Recycler, etwa die Firma Umicore im belgischen Hoboken, schmelzen die Zellen und Module in einem Schachtofen bei hoher Temperatur ein. Dabei wird eine Legierung gewonnen, die vor allem aus Kupfer, Kobalt und Nickel besteht. Diese wird unter dem Einsatz von viel Energie in ihre Bestandteile aufgetrennt und gereinigt. Das lohnt sich, weil die Preise dieser Rohstoffe hoch sind. Der Grafit dagegen verbrennt als Energiespender. Das Lithium landet in einer Schlacke. Um es wieder für Batterien verwenden zu können, muss es aufwendig herausgetrennt werden. Das aber ist angesichts der Preise für Lithium zurzeit nicht wirtschaftlich.

Gegen das Einschmelzen spricht aber noch etwas viel Wichtigeres: Der Betrieb von Schachtöfen kostet viel Energie und setzt große Mengen an CO2 frei. „Im Vergleich dazu spart unser Verfahren 4,8 Tonnen CO2 pro Tonne recycelter Batterien“, sagt Schumacher. Noch höher ist nach den Angaben des niedersächsischen Unternehmens mit 8,1 Tonnen weniger CO2 die Einsparung im Vergleich zur Primärgewinnung der Rohstoffe.

Vorzerlegung per Hand

Das Herzstück der Anlage steht in der Mitte der Halle. Bevor die Module und Zellen dorthin gelangen, zerlegen Arbeiter die Batteriesysteme in ihre Einzelteile. Kupferkabel, Aluminiumgehäuse, Kunststoffe und eisenhaltige Metalle werden in Boxen getrennt und in externen Recyclingbetrieben wiederaufbereitet. Die Module und Zellen fahren auf einem Transportband zunächst zur mechanischen Zerkleinerung. Der Elektrolyt aber ist brennbar, andere Inhaltsstoffe sind ebenfalls gefährlich. Man kann sie nicht einfach schreddern. „Um eine sichere Prozessführung zu gewährleisten, zerkleinert die Anlage die Teile unter Ausschluss von Sauerstoff in einer Atmosphäre aus Stickstoff“, erklärt der stellvertretende Produktionsleiter.

Aufgrund der niedrigen Prozesstemperatur bilden sich keine toxischen Gase. Das Granulat, das herauskommt, ist aber immer noch durchtränkt vom Elektrolyten. Das Lösungsmittel des Elektrolyten wird unter Vakuum nun vollständig ausgedunstet, zurückgewonnen und in der chemischen Industrie weiter aufgearbeitet. Julius Schumacher zeigt eine Probe des getrockneten Granulats aus schwarzen Kleinteilen unterschiedlicher Körnung. Es wird nach Korngröße, Dichte, magnetischen und elektrischen Eigenschaften in die enthaltenen Materialgruppen getrennt. Eisen, Kupfer und Aluminium gehen den Weg der etablierten Wiederverwertung. Die Rohstoffe der sogenannten Schwarzmasse – also Kobalt, Nickel, Lithium, Mangan und Grafit – können nach einer Aufarbeitung zur Herstellung von Akkus verwendet werden. Nach Angaben des Unternehmens finden sie reißenden Absatz.

Ergebnis eines Forschungsprojekts

Entstanden ist das mehrfach patentierte Verfahren aus einem Forschungsprojekt der TU Braunschweig. Eine erste Pilotanlage wurde 2017 in Betrieb genommen. Daraus entstand seit 2019 die heutige Anlage. „Wir sind auf Expansionskurs“, sagt Geschäftsführer Frank Kleineidam. Er zeigt eine noch leere Halle auf dem Gelände, das Duesenfeld sich mit einer Stahlbaufirma teilt. In der Halle soll eine erweiterte Station für die Entladung der Akkus eingerichtet werden. Bei Duesenfeld arbeiten mehr als 40 Beschäftigte in drei Schichten. 2020 waren es noch 20 in einer Schicht. Ende 2021 wurden laut Frank Kleineidam rund 2000 Tonnen Alt-Akkus recycelt. Bislang handelt es sich dabei überwiegend um Vorserien-Akkus deutscher Autohersteller.

Trotz der verhältnismäßig kleinen Menge soll bald erstmals eine schwarze Null vor dem Komma stehen. Haupteinnahmequelle sind zurzeit die Entsorgungsgebühren, erst dann der Verkauf der Rohstoffe. „Das ist aber eine Momentaufnahme, das Verhältnis kann sich jederzeit ändern“, erklärt Frank Kleineidam.

Nach einer Studie des Ökoinstituts Freiburg dürfte die Rückgewinnung von Lithium und auch Grafit künftig stark an Bedeutung gewinnen. Bis 2050 schätzt das Institut den Bedarf an Lithium für die Elektromobilität auf 600.000 Tonnen pro Jahr. Das ist das 7,5-Fache der weltweiten Förderung 2020.

Noch ist die Zahl der zu entsorgenden Akkus überschaubar. Zudem können ausgediente Batterien ein zweites Leben als Speicher für Strom aus Photovoltaik- oder Windenergieanlagen führen. Das zeigen Pilotprojekte im Hamburger Hafen oder im BMW-Werk in Leipzig. Dieses zweite Dasein kann zehn bis zwölf Jahre dauern. Am Ende aber müssen sie alle entsorgt werden.

Elektroauto-Boom in ganz Europa

Dann dürfte auch der Bedarf an neuen Akkus und den dafür notwendigen Rohstoffen stark gestiegen sein. Nach dem Klimaschutzplan der deutschen Bundesregierung sollen 2030 in Deutschland sieben bis zehn Millionen Elektrofahrzeuge zugelassen werden. Bereits jetzt wächst die Zahl der Elektroautos in ganz Europa rasant. Im zweiten Quartal 2021 hat sich der Marktanteil batteriegetriebener Elektrofahrzeuge laut European Automobile Manufacturers’ Association (ACEA) gegenüber dem Vorjahreszeitraum auf 7,5 Prozent verdoppelt. Hinzu kommt ein Anteil von Hybridfahrzeugen von fast 20 Prozent, die ebenfalls eine leistungsstarke Batterie mit wertvollen Rohstoffen benötigen.

Zudem ändern sich gerade die Vorgaben der Europäischen Union zum Recycling. Die bislang vorgeschriebene Quote von 50 Prozent wird bereits mit dem Recycling von Gehäusen und Kabeln erreicht. Im Dezember 2020 hat die EU-Kommission im Rahmen des „Green Deals“ strengere Vorgaben ab 2022 vorgeschlagen. Unter anderem sollen künftig Kobalt, Kupfer, Nickel, Blei und Lithium in einer Qualität zurückgewonnen werden, die für die Verwendung in der Batterieindustrie ausreicht – also das, was Duesenfeld bereits leistet. Und die Hersteller von Batterien müssen Mindestquoten für wiederverwendete Rohstoffe erfüllen. Außerdem werden Obergrenzen für den CO2-Abdruck von E-Auto-Batterien vorgeschlagen.

Bessere Prozesse, mehr Kapazität

Angesichts dieser Prognosen ist es nicht verwunderlich, dass Duesenfeld nicht das einzige Unternehmen ist, das sich mit dem Recycling der Rohstoffe von E-Auto-Akkus beschäftigt. Fast zehn Unternehmen oder Konsortien in Europa arbeiten derzeit an der Entwicklung oder Verbesserung von Prozessen und dem Ausbau ihrer Kapazitäten. Die Unternehmen BASF und Porsche etwa verkündeten im Sommer eine Kooperation für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus sowie eine gemeinsame Pilotanlage zur Wiederverwertung von ausgedienten Lithium-Ionen-Akkus und von Produktionsabfällen aus der Batterieherstellung.

Die auf das Recycling von Batterien spezialisierte Accurec Recycling in Krefeld entwickelt zurzeit im Rahmen des Forschungsprojektes Mercator eine Pilotanlage zum Recycling von Lithium-Ionen-Akkus aus der Elektromobilität. Besonderes Ziel ist dabei die Rückgewinnung von Lithium und Grafit. Accurec setzt vor der mechanischen Zerlegung der Zellen eine thermische Behandlung ein, um die auf Folien verklebten Rohstoffe besser trennen zu können. Die Wärme entsteht durch die Verbrennung der Gase aus dem Elektrolyten und Kunststoffen.

Am Ende wird auch hier die Schwarzmasse unter niedrigen Temperaturen in ihre Bestandteile zerlegt, die dann für die Neuproduktion von Akkus taugen. An dem Forschungsprojekt beteiligt sind unter anderem das Ökoinstitut Freiburg, das chilenische Lithium-Produktionsunternehmen SQM sowie der US-amerikanische Automobilhersteller Ford.

Auch bei Volkswagen beschäftigt man sich mit dem Thema. Anfang 2021 nahm das Unternehmen in Salzgitter eine Recyclinganlage in Betrieb. Wie die Anlage von Duesenfeld ist sie aus einem Forschungsprojekt der TU Braunschweig entstanden. Die Verfahren beider Anlagen ähneln sich. „Unser Ziel ist es, einen eigenen Kreislauf mit mehr als 90 Prozent Wiederverwertung unserer Batterien zu schaffen“, sagt Thomas Tiedje, Leiter der Technischen Planung der Volkswagen Komponente.

Rohstoffe und CO2 einsparen

Der Konzern will an zehn Standorten in Europa eigene Batteriezellen für seine E-Modelle herstellen. Durch die Verwendung von recycelten Rohstoffen soll langfristig nicht nur der Primärbedarf des Konzerns an Rohstoffen reduziert, sondern auch der CO2-Fußabdruck der Batterien deutlich verringert werden. „Wenn wir unsere Kathoden ausschließlich aus recyceltem Material herstellen, sparen wir mehr als eine Tonne CO2 pro Fahrzeug ein“, sagt Thomas Tiedje. Mit eigenen Recyclinganlagen kann der Konzern auch schneller auf Änderungen im Batterie-Design reagieren. Zum Beispiel gehen viele Experten davon aus, dass der Anteil von Kobalt in den Akkus immer weiter verringert wird.

„Wir müssen am Ball bleiben und unser Verfahren stetig anpassen“, bestätigt Frank Kleineidam von Duesenfeld, auch weil man das eigene Verfahren ständig verbessern will. „Wir wollen möglichst nah an die 100 Prozent.“ Um das zu erreichen, müsste Duesenfeld auch die Schwarzmasse recyceln können, die nach der Zerkleinerung noch an den Separator- und Stromableiterfolien der Zellen hängt.

Vielversprechend dafür ist das sogenannte Schockwellen-Verfahren. Entwickelt wurde es unter anderem von dem Unternehmen ImpulsTec im Rahmen des von den Forschern am Fraunhofer ISC in Würzburg koordinierten Verbundprojekts AutoBatRec2020. Bei der Schockwellenzerkleinerung werden die Batteriezellen in einem Behälter zerlegt, der mit einem wässrigen Medium gefüllt ist. In dem Behälter erzeugen Hochspannungselektroden zyklisch Schockwellen. Die intensiven Druckwellen öffnen das Gehäuse der Batteriezellen und lösen die Elektrodenmaterialien von den Folien. Diese Zerlegung kann auch selektiv erfolgen, um die Kathoden- und Anodenmaterialien getrennt wiederverwerten zu können.

Wichtig dabei ist recyclingfreundliches Design, etwa durch eine Standardisierung der Bauformen und Schnittstellen unterschiedlicher Hersteller oder leicht trennbare Verbindungen. „Dadurch ließen sich auf jeden Fall die Effizienz und die Skalierbarkeit des Recyclingprozesses verbessern“, sagt Andreas Bittner vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung. Auch könnte das Design zum Beispiel so gestaltet werden, dass beim Zerlegen größerer Mengen Alt-Akkus Roboter eingesetzt werden können.

Es gibt also noch viel zu tun auf dem Weg zur Nachhaltigkeit der Elektromobilität. Zum Glück beteiligen sich daran viele verschiedene Akteure mit ihren guten Ideen.

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