Stromspeicher auf Lithiumbasis
Von Konstantin Heiler
Autor des Fachbuches "Die smarte Batterie"
Der Rohstoff, sein Kreislauf & Second Life Anwendungen
Der Markt für stationäre Stromspeicher (oder auch „Heimspeicher“) boomt; alleine vergangenes Jahr sind weltweit mehr als 400MWh an zusätzlicher Speicherleistung installiert worden, womit der derzeit ungefähr 1-2GWh Speicherkapazität im Heimspeicherbereich vorhanden sind. Die Boston Consulting Group rechnet für das kommende Jahrzehnt damit, dass bis 2030 rund 8 Mrd. Euro Umsatz mit Heimspeichersystemen erzielt werden.
Während die Zahl der eingebauten Systeme in Deutschland, Österreich, USA und vielen weiteren Ländern kontinuierlich ansteigt, sinken Preise für diese Systeme. Laut Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FFE), sind die durchschnittlichen Lithium-Speicherpreise von 2013 bis 2015 um 29% gefallen.
Neben den Skaleneffekten in Herstellung und Vertrieb, trägt besonders eine Entwicklung zu diesem Preisverfall bei: die sinkenden Herstellkosten für Lithiumbasierte Akkus. Die Preisdifferenz zwischen den etablierten, wenn auch nicht mehr zeitgemäßen, Blei-Akkus und Lithiumakkus sinkt – darum verdrängen Lithium-Batterien zunehmend diese und andere alte Technologien; der Anteil von Bleisystemen ist, nach dieser Berechnung von Fraunhofer ISI, von ca. einem Fünftel aller Heimspeichersysteme auf weniger als ein Zehntel zurückgegangen.
Doch weshalb sind die Herstellkosten von Lithium-Batterien so gesunken? Die großen Produktionsvolumen kommen nicht nur aus der stationären Speicherbranche selbst, sondern vor allem aus der E-Mobilität. Europa- und weltweit wird die E-Mobilität auf Unions-, Bundes- und Länderebene gefördert. Norwegen beispielsweise will ab dem Jahr 2025 kein Auto mehr mit Verbrennungsmotor neu zulassen. Auch in Deutschland ist die Zielsetzung hoch: bis zum Jahr 2030 sollen rund 6 Millionen Elektroautos (BEV „Batteriebetriebene Elektro-Vehikel“) strombetrieben unterwegs sein. Um die steigende Nachfrage zu decken, werden weltweit die Produktionskapazitäten für zylindrische und prismatische Lithiumzellen erweitert (siehe Gigafactory von Tesla).
Doch wie genau sieht der Produktlebenskreislauf vom Namensgeber dieser Akkus, dem „Lithium“, genau aus? Wo und wie wird es gefördert und wie sieht der Produktkreislauf aus?
Was genau ist Lithium?
Lithium ist das leichteste Metall im Periodensystem (Ordnungszahl 3) und kommt aufgrund seiner hohen Reaktivität in der Natur nicht elementar, das heißt in Reinform, vor. Es wird in Spezialseifen, besonders in der Keramikherstellung, als Farbgeber in Feuerwerken (rot), aber auch als Legierungsmetall für Aluminium und Magnesium und als Medikament gegen Depressionen eingesetzt. Die hier thematisch stark behandelten Lithium-Ionen-Akkumulatoren, abgekürzt Li-Ion-Akkus, sind jene Akku-Typen, bei denen eine Elektrode aus Lithium besteht, z.B. Lithium-Mangandioxid (LixC6LiMn2O4 ; LiAlMnO2 ); Lithium-Cobaltdioxid (LixC6LiCoO2 ); Lithium-Titansulfid (LiAlTiS2 ) und Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4 ).
Beispiele Anwendungsbereiche Quelle: „Second Life-Batterien als flexible Speicher für Erneuerbare Energien“
Der Vormarsch der Elektromobilität, in der Li-Ion Akkus aufgrund ihrer Energiedicht und ihrem geringen Gewicht eine entscheidende Rolle spielen, geht Hand in Hand mit einer Nachfragesteigerung für den Rohstoff Lithium. Innerhalb eines halben Jahres hat sicher dementsprechend auch der Preis für Lithiumkarbonat fast vervierfacht.
Für die kommenden Jahrzehnte rechnen Marktanalysten, wie bei der chilenischen Research-Firma „SignumBox“ mit einer anhaltenden Nachfragesteigerung nach Lithium. Neben der Elektromobilität beschleunigt der Roll-out von stationären Stromspeicher, ob für Heimanwendungen oder in Niederspannungs- und Mittelspannungsnetzen, diesen Trend zusätzlich, wie aus der Grafik unterhalb zu ersehen ist.
Haben wir genug Lithium?
Das heißbegehrte Alkalimetall wird weltweit vorwiegend aus 3 Quellen gewonnen; die aus den Medien bekanntesten Quellen sind Laken in Salzseen. Besonders der Salar de Uyuni in Bolivien, der größte Salzsee der Welt, weist ein sehr großes Lithium Vorkommen auf; auf einer Fläche von 10.582km² lagern rund 5 Mio. t Lithium in der Salzlake mit einer Konzentration von 1.600 parts-per-million. Auch wenn die Konzentration in Salzseen die Förderung erleichtert, schnell geht der Bau von Lithium-Anlagen nicht: rund 10 Jahre dauerte es, bis die Förderung im Salar de Uyuni starten konnte. Die Qualität des Lithiumkarbonates ist inzwischen reif für den Weltmarkt, die Produktion in großen Mengen wird aber noch etwas dauern.
Quelle: Adobe Stock
Die zweitgrößten Quellen für Lithium sind so genannte Lithium-Erze. Sie kommen in Gesteinen in den USA, in China, in Zaire, Canada, Australien aber auch in Mitteleuropa vor. In Österreich beispielsweise befindet sich in der Koralpe, zwischen Kärnten und der Steiermark, eine der größten Lithium-Lagerstätten Europas. Hier sollen auf der Weinebene ca. 18 Mio. Tonnen als Lithium-Mineral (Spodumen) lagern.
Die dritte große Quelle ist das Meerwasser; hier ist die Konzentration von Lithium jedoch sehr gering (0,17 ppm) und seine Gewinnung derzeit noch dementsprechend aufwändig.
Weltweit wurden 2014 rund 36.000t Lithium gefördert. Sollte dieser Bedarf konstant bleiben, dann könnte er alleine aus den (bekannten) Reserven in den Salzseen rund 1.500 Jahre lang gedeckt werden. Wenn das obige Szenario, mit einer Nachfrage von bis zu 500.000 Tonnen Lithium pro Jahr, eintritt, dann reicht der Vorrat, bei statischer Betrachtung, nur mehr knapp 100 Jahre lang. Doch ähnlich, wie beim Öl, sind die Reserven eine Funktion des Weltpreises – je höher der Preis, desto mehr vom Rohstoff wird gesucht, gefunden und gewonnen. Vormals unwirtschaftliche Lagerstätten werden dann abgebaut.
Derzeit stuft die EU Lithium auch noch nicht als kritischen Rohstoff ein. Sollte sich der Bedarf aber erhöhen (z.B. in Richtung 1 Mio. Tonnen Lithium pro Jahr), dann erschöpfen die Lithiumvorkommen in Salzseen ca. bis zum Jahr 2100. Die Vorkommen in den Minen, die aufgrund der Lithium Konzentration als nächste Quelle wirtschaftlich interessant werden, erschöpfen bereits wieder 20 Jahre später. Lithium aus Meerwasser könnte, auf Grund der geringen Konzentration, nur rund ein 300.000 Tonnen des Bedarfs ersetzen.
Bei so einer starken Nachfrage, wie in diesem Extremszenario, würde eine weitere Quelle für Lithium dringend notwendig werden: Das Recycling.
Wie funktioniert das Recycling von Lithium?
In einer Lithium-Ionen Batterie stecken zahlreiche verschiedene Rohstoffe: Etwas unter 40% einer Zelle bestehen aus Aluminium und Kupfer, ebenso groß ist der Anteil, den das aktive Elektrodenmaterial (Graphit und Lithium-Mangan o.ä.) ausmacht. Ungefär 20% der Zelle macht der Elektrolyt (Ethylenkarbonat) aus, allerdings nur 1% das Lithium.
Der Prozess, um dieses EINE Prozent aus einer Akkuzelle wieder zu regenerieren ist sehr aufwändig: Grund dafür sind die Begleitprozesse des Recyclings, wie Sammlung, Lagerung, Transport, Sicherheitsvorkehrungen usw. In der Regel werden die kompletten Batteriesysteme gesammelt; hier sind mehrere Zellen unterschiedlichster Bauform zu Zellenstacks zusammengesetzt und verschraubt, mit Platinen und Prozessoren zur Zellüberwachung verknüpft und das Ganze in Schränken oder Boxen verschraubt, mit Sicherungen, Brandschutzmechanismen, etc. ausgestattet. Der für das Lithium-Recycling relevante Rohstoffgehalt kann jedoch nur auf Zellebene zurückgewonnen werden, was zusätzliche Arbeitsprozesse, wie Zerlegen, Aufschrauben, Brechen, etc. verlangt.
Neben den unterschiedlichen Elektroden- und Elektrolytmaterialien gibt auch unterschiedliche Bauformen von Lithium-Zellen (Rundzellen, prismatische Zellen, Pouch-Zellen), was die Trennung und Aufbereitung der verschiedenen Batteriesysteme nochmals komplizierter macht. Die Montanuniversität Leoben hat deshalb in Zusammenarbeit mit Magna Steyr und der Saubermacher AG ein Verfahren entwickelt, in dem die meisten Rohstoffe einer Lithium-Batterie zurückgewonnen werden können, ohne das Batteriesystem vollständig, sondern nur teilweise zu zerlegen.
Im so genannten LIBRES Verfahren, werden diese Zellenstacks nach ihrer Demontage entweder einer „Second-Life“ Anwendung zugeführt (dazu im weiteren Verlauf dieses Artikels) oder in einem zweiten Schritt „deaktiviert“. Bei der Behandlung von Lithium-Batterien steht man nämlich vor einigen sicherheitsrelevanten Herausforderungen: der Ladezustand und die Spannung eines Zellenpacks sind dem Recyclingunternehmen meist unbekannt, der enthaltene Elektrolyt ist oft brennbar und giftig. Bei einer thermischen Behandlung weiß man nicht, welche Abgasmengen in welcher Zusammensetzung entstehen werden (beispielsweise ob Fluorverbindungen im Abgas enthalten sein könnten). Außerdem sind die dünnen Kupfer- und Aluminiumfolien mit Aktivmaterialien (Kleber) beschichtet, die es zu lösen gilt.
Diese „Deaktivierung“ erfolgt durch thermische Behandlung in einem Ofen, bei dem der Elektrolyt verdampft wird. Zurück bleiben die versprödeten Materialien, die im nächsten Schritt mechanisch separiert werden. Das heißt, sie werden geshreddert, gesiebt, magnetisch aussortiert und in die Gruppen Kupfer, Aluminium, Eisen – zur pyrometallurgischen - und Aktivmaterial (Kobalt und Nickel), zur hydrometallurgischen Weiterverarbeitung, aufgeteilt. Das Lithium wird in diesem Prozess jedoch nicht zurück gewonnen. Recycling ist in diesem Verfahren derzeit nicht machbar und energetisch nicht sinnvoll.
Doch ein derzeit interessantes Verfahren, das sich noch im Forschungsstadium befindet, ist ein Recyclingprozess, der in Hoboken in Belgien entwickelt worden ist. In der Umicore Battery Recycling Facility wurde ein thermischer Behandlungsprozess entwickelt, bei dem eine Schlacke anfällt, aus der in der Akkuzellenproduktion wieder Lithium und Kobalt gewonnen werden können. Zwar handelt es sich nicht um weltmarktfähiges Lithiumkarbonat, wie wir es aus der Salzlaken- und Minenförderung kennen, doch kann dieses „Battery-to-battery“ Recyclingverfahren für die Neuproduktion von Lithium-Batterien genutzt werden. Zurzeit ist dieses Verfahren noch sehr energieintensiv und aufwändig, könnte aber zukünftig als Basis zur Verbesserung des Recycling Prozesses dienen.
Obwohl die Nachfrage und der Weltmarktpreis für Lithium steigen, reichen unsere bekannten Reserven noch für absehbare Zeit und das Lithium-Recycling bleibt derzeit noch nachrangig; Interessant und vielerorts diskutiert ist jedoch eine andere Form des Recyclings, bei dem die gesamte Batterie wieder in Umlauf gebracht wird: in so genannten „Second-Life“ Anwendungen.
Stromspeicher als zweite Chance für Lithium-Batterien: Second Life Anwendungen
Was ist die Grundidee von Second-Life Konzepten?
Einfach gesprochen, wird bei „Second-Life“ ein Akku, oder ein Akkupack, bestehend aus mehreren Lithium-Zellen, nach seiner primären Verwendung, zum Beispiel in einem Batterie-Elektrofahrzeug (BEV) oder in einem Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV), einer zweiten Verwendung zugeführt.
Ein Akku verliert auf Grund von Beanspruchung und kalendarischem Alter sukzessive an Speicherkapazität. Dieser so genannte „state-of-health“ (SoH) sinkt mit Alter und Nutzungsdauer eines Akkus. Wenn ein gebrauchtes Elektroauto (BEV) zu wenig Speicher-Kapazität zur Verfügung hat, um die vom Hersteller angegebene Reichweite einzuhalten, so müssen die eingebauten Akkus durch neue ersetzt werden, weil der Platz in einem Fahrzeug nicht ausreicht, um die verlorene Kapazität durch zusätzliche Akkuzellen zu kompensieren.
Da es absurd wäre, diese Alt-Akkus, mit in der E-Mobilität spätestens bei einem SoH von rund 80% getauscht werden, zu entsorgen, macht es Sinn, sie einem zweiten Anwendungsfall zuführen, dem Second Life.
Von April 2015 bis Februar 2016 führte die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FFE), gemeinsam mit der TU München ein Projekt durch, in dem „mögliche ökonomische und ökologische Vorteile der Weiterverwendung von Traktionsbatterien ins Second-Life-Anwendungen“ untersucht worden sind. Dabei wurden der aktuelle Stand und der Ablauf von Second-Life-Konzepten sowie die Potenziale und dabei auftretenden Herausforderungen beleuchtet. Außerdem sollten für die Auftraggeberin, die VDE, mögliche Anwendungen, das Alterungsverhalten und der wirtschaftliche Aspekt von Second-Life Anwendungen geprüft werden.
Die Anzahl der derzeit in-Verkehr-gebrachten Speicher, vor allem jener, in der E-Mobilität, wie die nachfolgende Abbildung zeigt, sind noch sehr gering; nur rund 200 Tonnen, der aktuell in Verkehr gebrachten Lithium-Akkus befinden sich in Elektroautos. Sollten aber Szenarien wie das Regierungsziel mit „6 Mio. Elektrofahrzeugen in Deutschland bis 2030“ Realität werden, dann würde der Anteil von Lithium-Traktionsbatterien (Antriebsbatterien) signifikant steigen. Die Elektromobilität diente in diesem Fall als“ Türöffner für Second Life Konzepte“, so die FFE.
Laut FFE Studie könnten bis zum Jahr 2025 rund 25 GWh an potenziellen Second-Life-Batterien auf den deutschen Markt kommen, wenn man die derzeitigen 8 Mio. jährlich außer Betrieb genommenen Fahrzeuge in Deutschland als Basis heranzieht. Diese 25 GWh Speicherkapazität resultieren aus Batterien, die aufgrund ihres State-of-Health (<80%) nicht mehr für die mobilen, dafür aber für stationäre Anwendungen geeignet wären.
Wenn man diese Alt-akkus beispielsweise in Heimspeichersysteme in Verbindung mit PV Anlagen oder in Großspeichern für die Primärenergieregelung einsetzt, spielt das Gewicht der Akkus keine vergleichbar große Rolle, wie in der E-Mobilität. Die Verluste in der Ladekapazität würden einfach durch zusätzliche Lithiumzellen kompensiert werden, ein alter Speicher würde dann einfach überdimensioniert. Außerdem können, so die FFE, die Lastprofile auf den Alterungszustand der Lithium-Ionen-Traktionsbatterie abgestimmt werden und somit die maximale Einsatzzeit um ein Vielfaches verlängert werden. In der E-Mobilität ist manchmal rasches Beschleunigen, starkes Bremsen, Abstellen des Fahrzeuges in sehr heißen oder sehr kalten Umgebungstemperaturen notwendig. Dies belastet die Akkus, führt zu schnellerem Altern und Sinken des SoH. Wenn diese Akkus dann in Second-Life Anwendungen stationär genutzt werden, so können die Faktoren wie Temperaturen, Vibrationen und starke Leistungsspitzen, besser kontrolliert und optimiert werden. Daraus resultiert unter Umständen eine längere Second-Life Nutzung, als während der First-Life Anwendung.
Die große Barriere für das Second-Life Recycling
Eine große Hürde stellt jedoch derzeit noch der Aufbereitungsprozess von Second-Life-Batterien dar, ebenso wie im Recycling des Rohstoffes Lithium vorhin ausgeführt wurde. Zahlreiche notwendige Arbeitsschritte sind hierbei der wesentliche Kostentreiber; wenn ich beispielsweise Akkuzellen aus mehreren unterschiedlichen Fahrzeugen stationär einsetzen möchte, muss ich wissen, wie viele Zyklen dies Zellen absolviert haben, welche Ladespannung sie benötigen, ob sie extremen Bedingungen ausgesetzt gewesen sind usw. Ebenso, wie bei der Autoüberprüfung in einer Werkstätte, müssten die Akkuzellen gecheckt werden. Deshalb sind es momentan die Autohersteller selbst, die Projekte mit BEV-Modulen umsetzen. Sie kennen die eingesetzten Akkus ihrer Autos, die Belastungsfähigkeit und haben einen Überblick über die Anzahl, das Alter und die voraussichtlichen Ausserbetriebsetzungen ihrer Automodelle und Akkus.
Auf „Externe“ Second-Life Unternehmen kämen schwierige Herausforderungen zu: Ungelabelte Zellen müssten komplett durchgetestet werden, um Unterschiede in ihrem Alterungsverhalten aufzudecken. Neben der kalendarischen Alterung, die nämlich noch nachvollziehbar wäre, träten einerseits die zyklische Alterung in Abhängigkeit von den Ladezyklen, andererseits die „nichtlineare Alterung“, begünstigt durch hohe Ladeschlussspannungen, hohe Laderaten und tiefe Temperaturen, auf.
Was könnte den Aufbereitungsprozess schneller, effizienter und damit kostengünstiger machen? Durch Alterungsschnelltests oder standardisierte „Zustandsgrößen in der Erstanwendung“ könnten auch andere Unternehmen, als die Autohersteller selbst, im Markt für Second-Life Anwendungen mitwirken.
Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von „Second-Life“
Laut FFE bringt der wachsende Batteriespeichermarkt in Zukunft vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für Second-Life (SL)-Batterien mit sich: Die Kosten für Akkus aus den First-Life Anwendungen (E-Mobilität) sind immer durch die Kosten für Neu-Akkus gedeckelt, deren Preise zurzeit stark fallen. Laut Fraunhofer sind noch große Sprünge bei den weitverbreiteten Technologien LiFePO4 (schwere E-Mobilität) und NCA (E-PKW), sowohl bei den Kostens als auch bei der Energiedichte, möglich (von derzeit ca. 350US$/kWh auf ca. 80US$/kWh in 2030). Im günstigsten Fall könnten Second-Life-Batterien sogar kostenlos zur Verfügung stehen, wenn dadurch Recyclingkosten für den Fahrzeughersteller vermieden werden können.
Laut FFE bietet vor allem den Einsatz im Heimspeichersegment und für die Primärenergieregelung den Vorteil, dass die Lastprofile angepasst werden können, um die Restlebenszeit der gebrauchten Akkus zu verlängern. Verlorene Speicherkapazität aufgrund von Zellalterung kann durch zusätzliche Zellen kompensiert werden.
Auf der folgenden Grafik sehen Sie eine Analyse der Kostenanteile in beiden Anwendungsfällen:
Bei Heimspeichersystemen machen die Lithiumzellen durchschnittlich 36% der Kosten aus; dieser Anteil könnte durch günstigere Second-Life Zellen deutlich geringer ausfallen. Im Berechnungsmodell der FFE führte dies zu einem 26% höheren Kapitalwert eines PV-Heimspeichersystems.
Auch zweiten Fall, bei dem die gebrauchten Traktionsbatterien für die Regelenergie genutzt werden, wird der Kostenvorteil durch Second-Life Anwendung deutlich: Bei fast 60% Kostenanteil der Zellen am gesamten Speichersystem, fallen die günstigeren Zellen noch mehr ins Gewicht: Der Kapitalwert eines Großspeicherprojektes mit gebrauchten Lithium-Batterien steigt um 33%.
Der Nutzen für Fahrzeughalter von Elektro-PKW bleibt in diesem Berechnungs-Modell jedoch mager; Die Kostenersparnis für Fahrzeughalter durch die erneute Nutzung seiner alten Akkus, ist mit 3 % der Anschaffungskosten gering, da die Batteriekosten und somit der Restwert der Traktionsbatterie zukünftig stark fallen werden.
Fazit
Die beiden Treiber „Erneuerbare Energien/Stromspeicher“ und „Elektromobilität“ fördern die Nachfrage nach Lithium-Batterien und damit den weltweiten Abbau von Lithium, primär aus den Laken in Salzseen, in Zukunft auch aus Minen und aus dem Meer.
Das Recycling des Rohstoffes „Lithium“ macht derzeit noch keinen Sinn. Viel sinnvoller sind die verlängerte Nutzungsdauer und das Recycling von gebündelten Zellenstacks im „Second Life“, das insgesamt die Umweltbilanz der Elektromobilität weiter verbessern kann.
Momentan mangelt es zwar noch an gebrauchten Lithium-Batterien aus dem First-Life Zyklus, um Geschäftsmodelle im Second-Life Bereich großflächig zu skalieren; Erste Projekte, vorrangig von den Automobilherstellern (z.B. Daimler & The Mobility House in Lünen) selbst umgesetzt, zeigen aber, wo es hingehen kann, wenn die Aufbereitung von Lithium-Batterien für „externe“ Second-Life Anbieter vereinfacht werden sollte.
Photovoltaik Austria Präsident Dr. Hans Kronberger sagte einmal, auf Second-Life Bezug nehmend: „wenn man sich damals in der Atomenergie ebenso viele Gedanken über Second-Life Anwendungen gemacht hätte, stünden wir heute nicht vor dem Atommüll-Problem“.
