Erforschung von Maßnahmen zur Steigerung der Material- und Prozesseffizienz in der Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion über die gesamte Wertschöpfungskette

Das Gesamtziel des Teilvorhabens des Öko-Instituts ist die Erstellung einer Materialflussrechnung sowie einer Analyse der sozialen und ökologischen Auswirkungen der Primärrohstoffförderung der relevanten Rohstoffe für die Zellen der Lithium-Ionen-Batterien im Rahmen des AP 9 „Recycling und Materialmanagement“ (Lead AP 9 Umicore). In diesem Zusammenhang werden auch die globalen sowie TerraE-spezifischen Recyclingpotenziale ermittelt.

Im Zusammenhang mit dem Markthochlauf der Elektromobilität werden nicht zuletzt im Hinblick auf die Schlüsselkomponente Lithium-Ionen-Batterie von verschiedener Seite immer wieder Fragen nach den Auswirkungen auf die Primärrohstoffförderung für Schlüsselmaterialien wie Lithium, Cobalt usw. (Fragen nach einer möglichen Rohstoffverknappung, ökologische und soziale Aspekte usw.) aufgeworfen, die mit diesem Teilvorhaben in Kooperation mit den weiteren Partnern in AP 9 und in Abstimmung mit dem Gesamtverbund proaktiv beantwortet werden sollen.

Die Arbeiten im Rahmen des Verbundvorhabens Fab4Lib im Vorfeld der geplanten ersten Errichtung einer großindustriellen Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen in Deutschland durch TerraE bietet die Chance, die rohstoff- und materialstromspezifischen Implikationen und Vorteile der modernen Zellenproduktion vorab zu untersuchen, mit herkömmlichen Produktionen zu vergleichen und den Verbundpartnern frühzeitig wichtige Informationen und Impulse für etwaige Optimierungen zu liefern.

Die intensive Zusammenarbeit im Verbundvorhaben Fab4Lib zwischen namhaften industriellen Partnern und Forschungsinstituten verspricht valide Ergebnisse hinsichtlich der Entwicklung eines Konzepts eines adäquaten Supply Chain Managements, welches auf Informationen aus erster Hand (Definition Design, Materialauswahl und Fertigungsprozesse der neuen Pouch- und Rund- Zellen und deren Auslegung, Skalierung und Projektierung von Klein- und Mittelseriengröße bis Großserienfertigung, Recyclingpotenziale) beruhen wird.

Der Arbeitsschwerpunkt wird auf der Materialflussrechnung liegen, die in sieben Schritten bearbeitet wird:

• Abstimmung Schlüsselrohstoffe: In Abstimmung mit den Projektpartnern werden die Schlüsselrohstoffe für die Lithium-Ionen-Zellen in den Projektfokus festgelegt.

• Verfügbarkeit der Schlüsselrohstoffe: Die Frage der Verfügbarkeit von strategischen Primärrohstoffen wird in zwei Stufen bearbeitet. Zum einen wird die Frage der geologischen Verfügbarkeit analysiert. Zum anderen wird hinsichtlich der Verfügbarkeit der strategischen Primärrohstoffe untersucht, ob es mittelfristig (2025 bis 2030) zu temporären Verknappungen kommen könnte.

• Hochlaufszenarien E-Mobilität: Es werden ein ambitioniertes sowie ein konservatives Szenario hinsichtlich der globalen Marktdurchdringung der Elektromobilität abgestimmt. Die wesentlichen Fahrzeugkategorien wie Pkw, Lkw, Busse, Pedelecs etc. werden in diesen Szenarien aufgenommen. Die Szenarien werden auf die Stützjahre 2030 (mittelfristige Perspektive) und 2050 (langfristige Perspektive) aufgebaut.

• Abstimmung Rohstoffbedarf je kWh Lithium-Ionen-Batterie: In diesem Schritt werden die Rohstoffbedarfe der Schlüsselrohstoffe je spezifischer Einheit (kWh Lithium-Ionen-Batterie) mit den Verbundpartnern intensiv abgestimmt.

• Preis- / Mengen-Szenarien: Auf Basis der vorherigen Arbeitsschritte werden für die ausgewählten Schlüsselrohstoffe die Rohstoffbedarfe für die globale Elektromobilität ermittelt. Ebenso werden die Rohstoffbedarfe für die Zellfabrikation der TerraE in Deutschland quantifiziert. Hierbei werden auch Produktionseffizienzen der einzelnen Prozessschritte berücksichtigt. Weiterhin werden Mengenszenarien für die globale Perspektive (Stützjahre 2030 und 2050) aufgestellt. Diese liefern strategische Informationen über die zu erwartenden Rohstoffbedarfe für die Schlüsselrohstoffe.

• Soziale und ökologische Auswirkungen: In diesem Schritt werden die sozialen und ökologischen Auswirkungen der geplanten Zellenproduktion analysiert. Weiterhin werden wichtige sozioökonomische Aspekte der Primärgewinnung von Schlüsselrohstoffen (wichtig ist hierzu u. a. die Gewinnung von Cobalt in der Demokratischen Republik Kongo) zusammengestellt.

• Potenzial Sekundärmaterial: In diesem Arbeitsschritt werden die mittel- und langfristigen Potenziale zur Bereitstellung der Schlüsselrohstoffe aus dem Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ermittelt.

Die Ergebnisse des Teilvorhabens des Öko-Instituts im Rahmen des Verbundprojekts Fab4Lib stehen unmittelbar allen involvierten Partnern des Vorhabens zur Verfügung und können entsprechend in deren weitere Arbeiten einfließen. Hier sind vor allem jene Verbundpartner zu nennen, die für die Auslegung, Skalierung und Projektierung von Klein- und Mittelseriengrößen bis zur Großserienfertigung von Lithium-Ionen-Zellen in Deutschland verantwortlich zeichnen, d. h. TerraE und weitere Verbundpartner von Fab4Lib (Materialhersteller, Zellhersteller, Maschinen- und Anlagenbau). Die Ergebnisse zu den Recyclingpotenzialen können unmittelbar vom Verbundpartner Umicore für Folgeprojekte bzw. operative Schritte zum Ausbau der eigenen Recyclingkapazitäten für Lithium-Ionen-Batterien genutzt werden.