Wettlauf zum Kreislauf

Neue Erkenntnisse darüber, wie sich das ändern lässt und wie sich die hohen Ansprüche der Automobilbranche an die Qualität der Werkstoffe auch durch Recyclingmaterial erfüllen lassen, soll ein 2023 gestartetes Forschungsprojekt liefern. In dem Projekt „Car2Car“ arbeitet BMW – als einziger Automobilhersteller – mit mehreren Recyclingfirmen, rohstoffverarbeitenden Betrieben und Forschungsinstituten zusammen. Gemeinsam wollen die Partner die Möglichkeiten für eine echte Kreislaufwirtschaft im Automobilbau ausloten und dafür geeignete Techniken entwickeln. Im Visier haben sie dabei neben Aluminium und Kunststoff auch Stahl, Kupfer und Glas. Um diese Stoffe erneut verwerten zu können, ist bislang viel manuelle Arbeit erforderlich, und ein Teil des Materials geht dabei verloren. Das macht die Sache oft unrentabel. Durch den verstärkten Einsatz digitaler Techniken, von Künstlicher Intelligenz, Robotern und neuartigen Sensoren, um verschiedene Werkstoffe zuverlässig zu unterscheiden und voneinander trennen zu können, wollen die Forscher dieses Manko beseitigen.

Bewährungsprobe für die Branche

Das Forschungsprojekt belegt einen klaren Trend: Rund 140 Jahre nach der Erfindung der ersten Straßenfahrzeuge mit Verbrennungsmotor und Jahrzehnten, in denen der Automobilbau technische und gesellschaftliche Innovationen angestoßen und das Aussehen von Städten geprägt hat, steht die Branche nun vor einer gewaltigen Bewährungsprobe. Die rapide Veränderung des Weltklimas, knapper werdende Ressourcen und immer strengere politische Vorgaben verlangen eine Neuausrichtung – einen Wandel hin zu deutlich mehr Nachhaltigkeit.

So gab es zwar im März Signale aus der Europäischen Kommission, dass sie den Automobilherstellern mehr Spielraum für die Einhaltung verschärfter CO₂-Abgasgrenzwerte einräumen könnte, die eigentlich ab 2025 gelten. Dennoch bleiben klare Klimaziele gesteckt. Die Automobilhersteller weltweit stehen dadurch unter Druck, emissionsfreie oder zumindest emissionsarme Fahrzeuge zu entwickeln und auch deren Herstellung möglichst umwelt- und ressourcenschonend zu gestalten. Weiterhin gilt das Ziel: Ab 2035 sollen in der EU keine neuen Automobile mit Verbrennungsmotor mehr verkauft werden – es sei denn, sie sind im Betrieb CO₂-frei, werden als etwa mit synthetischen Kraftstoffen betankt. Doch ist das eine realistische Option?

Der Schlüssel zum Klimaschutz

Auf dem Weg zu einer klimaschonenden Mobilität gelten elektrische Antriebe als entscheidende Technik. Die Bedeutung der E-Mobilität belegen aktuelle Studien zur Ökobilanz wie sie beispielsweise Forscher im Auftrag des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) erstellt haben (siehe Beitrag ab S. 22, „Der steinige Weg ins E-Zeitalter“). Doch auch Vertreter führender Automobilhersteller teilen diese Ansicht. So betont Oliver Blume, Vorstandsvorsitzender von Volkswagen und Porsche, die Überlegenheit der Elektromobilität gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren im Hinblick auf den Klimaschutz. „Die Elektromobilität ist der Schlüssel zur Reduzierung von CO₂-Emissionen“, betont Blume.

Doch obwohl Elektroautos als entscheidender Hebel für den Übergang zu einer nachhaltigen Form der Mobilität gelten, zeigt ein genauerer Blick auch Schattenseiten der Technik. So sind zwar während des Betriebs auf der Straße die Vorteile klar ersichtlich: Da haben Fahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb und sogenannter Traktionsbatterie eine deutlich bessere CO₂-Bilanz als solche mit Verbrennungsmotor und Benzin oder Diesel im Tank. Während der Fahrt stoßen die Autos keine klimaschädlichen Gase aus, und deren Emissionsmengen bei der Erzeugung des elektrischen Stroms zum Aufladen der Batterie sinken in dem Maß, in dem der Anteil von Strom aus erneuerbaren Energiequellen im Netz wächst. Dennoch gibt es auch Schwachstellen bei der Elektromobilität. Ein besonders wunder Punkt ist die Batterie. Die ist als Energiespeicher für den Betrieb eines Elektroautos nicht nur dessen Herzstück, sondern zugleich sein größtes Umweltproblem.

Batterien bereiten Kopfzerbrechen

Das liegt zum einen daran, dass die Herstellung einer großen, schweren und komplex aufgebauten Traktionsbatterie sehr energieaufwendig ist. Kopfzerbrechen bereitet darüber hinaus die in einer Batterie erforderliche Kombination von teils teuren und wenig umweltfreundlichen Materialien – vor allem Lithium, Kobalt und Nickel, aber auch Grafit und Mangan, die für die heute in Elektrofahrzeugen gebräuchlichen Lithium-Ionen-Akkus unverzichtbar sind. Doch ihre Gewinnung ist ein schmutziges Geschäft, das vielerorts unter miserablen ökologischen Bedingungen stattfindet. Zudem besteht die Gefahr einer Abhängigkeit von wenigen Rohstofflieferanten – bei Lithium zum Beispiel von China, das einen erheblichen Teil des weltweiten Handels mit diesem Metall dominiert.

Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist die Verwendung anderer Stoffe für die Batterieherstellung – etwa der Ersatz von Lithium durch Natrium. Das ähnelt dem Lithium und lässt sich fast überall einfach, in großer Menge und kostengünstig gewinnen – etwa aus Meersalz. „Zwar sind einige Eigenschaften von Natrium-Akkus, speziell die Energiedichte, schlechter als den Pendants auf Lithium-Basis“, stellt Jürgen Janek fest, Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Festkörperchemie und Geschäftsführer am Zentrum für Materialforschung der Universität Gießen. Doch für viele Anwendungen reichen sie aus, etwa für den Einsatz in kleinen, preisgünstigen Elektroautos mit relativ geringer Reichweite. Zudem arbeiten die Forscher an weiteren neune Batterietechniken wie sogenannten Feststoffbatterien sowie Zellen, in den Nickel und Kobalt durch Eisen ersetzt sind.

Unabhängig davon ist für eine nachhaltige Nutzung von Rohstoffen ein Recycling der Materialien von großer Bedeutung. So enthält eine typische Elektroauto-Batterie unter anderem rund 7 Kilogramm Lithium, 6 Kilogramm Kobalt und satte 50 Kilogramm Nickel.

Der Drang zur Wiederverwertung

Auch da gehört BMW zu den Vorreitern. Das Unternehmen plant den Bau eines Kompetenzzentrums für das Batteriezellrecycling in Salching im niederbayerischen Landkreis Straubing-Bogen – und investiert dafür zehn Millionen Euro. In einem durch eine Tochterfirma angemieteten Gebäude sollen ab der zweiten Jahreshälfte 2025 die erforderlichen Anlagen aufgebaut werden, danach wird ein etwa 20-köpfiges Team auf einer Fläche von rund 2200 Quadratmetern das sogenannte Direktrecycling-Verfahren einsetzen. Bei dieser von BMW-Forschern entwickelten Technik lassen sich Reststoffe aus der Batteriezellfertigung sowie ganze Batteriezellen ohne weitere Zwischenschritte mechanisch in ihre Bestandteile zerlegen. Eine bislang übliche chemische oder thermische Aufbereitung, die viel Energie verzehrt, ist nicht notwendig. Die in der neuen Anlage gewonnenen Rohstoffe sollen dann unmittelbar wieder in die Herstellung von Batteriezellen einfließen.

Doch auch Batterien aus dem Recycling allein sind noch kein Übergang zur Kreislaufwirtschaft in der Automobilproduktion. Dafür sind zudem umfassende Maßnahmen entlang des gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs erforderlich. Das beginnt in der Designphase, in der es darum geht, ein neues Automodell so zu entwerfen, dass es möglichst langlebig, reparaturfreundlich und letztlich leicht wieder zu zerlegen ist – etwa dank der Verwendung modularer Bauteile, die sich zusammenfügen und wieder trennen lassen. Hinzu kommt die richtige Wahl bei den eingesetzten Werkstoffen.

Abspecken lohnt sich

So haben Wissenschaftler der Technischen Universität Dortmund 2023 eine Studie veröffentlicht, deren Ergebnisse belegen: Ein Schlüssel zur Reduzierung der Umweltbelastung liegt in der Entwicklung von Fahrzeugen, die von Anfang an weniger Material benötigen. Leichtbau und neue, nachhaltigere Werkstoffe wie Naturfasern bieten hier großes Potenzial. Laut einer Analyse der in Paris ansässigen Internationalen Energieagentur (IEA) von 2024 ließe sich durch den vermehrten Einsatz von Leichtbaumaterialien wie Aluminium oder Faserverbundwerkstoffen der Treibhausgasausstoß der Automobilproduktion bis 2030 um 13 Prozent senken.

Alles in allem bleibt die Branche bislang deutlich hinter ihren Möglichkeiten zurück. Woran das liegt – ob an mangelndem politischem Druck, wirtschaftlichen Interessen oder noch zu meisternden technischen Herausforderungen – lassen die Studien offen. Klar scheint hingegen: Die Zukunft der Automobilindustrie hängt nicht zuletzt davon ab, wie erfolgreich sie den Spagat zwischen ökologischer Verantwortung und ökonomischer Machbarkeit meistern wird. ■