Ökobilanz, Rohstoffeinsatz und Recycling bei Lithium-Ionen-Solarbatterien

Über 200.000 Solarbatterien stehen mittlerweile in deutschen Haushalten. Fast alle davon enthalten Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit verschiedenen Zellchemien. Angesichts der immer stärkeren Verbreitung stellen sich einige Menschen die Frage: Wie lange hält eine solche Batterie und was geschieht eigentlich mit einem Batteriespeicher, wenn er das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat? Denn für die meisten Menschen gehört zu einer ökologischen Energieversorgung auch ein bedachter Umgang mit Ressourcen. Für uns ist dieser Gedanke selbstverständlich, daher hier ein Überblick dazu.

​Lange Lebensdauer schont Ressourcen

Lithium-Ionen ist übrigens nur der Überbegriff. Darunter vereinen sich rund 30 verschiedene Zellchemien als Unterkategorien wie z.B. Nickel-Mangan-Cobaltoxid (NMC) oder Eisenphosphat (LFP). Die jeweilige Zellchemie ist entscheidend für den jeweiligen Anwendungsbereich (z.B. mobil im Fahrzeug oder stationär im Haus) hinsichtlich ihrer zu erwartenden Lebensdauer/Ladezyklenfestigkeit, Gewicht, Energieinhalt, usw.. Wer sich z.B. für zuhause einen PV-Stromspeicher mit integrierten Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP) kauft, entscheidet sich für eine in diesem Anwendungsbereich aktuell langlebigsten Lithium-Ionen-Technologien. Unabhängige Studien kommen zu dem Ergebnis, dass LFP-Zellen deutlich langlebiger sind als andere Zellchemie-Zusammensetzungen wie NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt) oder NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium), die ihren Vorteil eher im Fahrzeugbereich ausspielen können.

So garantieren einige Hersteller für stationäre Heimspeicher mit integrierten LFP-Batterien aufgrund positiver Laborprüfungsergebnisse bis zu 10.000 Ladezyklen, d.h. die Akkus können 10.000 Mal voll be- und entladen werden bevor ein nennenswerter Abfall der Batteriekapazität bemerkbar wird. Und das bedeutet dann aber immer noch nicht das Lebensende der Batterie. Aufgrund der parallel wirkenden kalendarischen Alterung wird dieser Akku-Typ voraussichtlich nach 15 bis 20 Jahren aus dem Speichersystem-Gehäuse entnommen und durch einen neuen ersetzt werden müssen – je nach erfahrener Nutzungsintensität und Temperaturen am Betriebsort. Bei den Handy- und Laptop-Akkus sowie bei den erwähnten NMC- oder NCA-Akkus in E-Autos und Heim-Batteriespeichern muss deutlich früher ausgetauscht werden. Was länger hält und damit seltener erneuert werden muss, verbraucht dann logischerweise auch weniger Ressourcen.

​Rücknahme von gebrauchten Batterien

Wegen der langen Lebensdauer liegt eine Rücknahme gebrauchter Speicher-Akkus für deren Besitzer also noch in weiter Ferne. Trotzdem lohnt sich ein kurzer Blick auf die heutige Situation, denn die Rücknahme von gebrauchten Lithium-Ionen-Akkus ist gesetzlich klar geregelt und wird es auch in Zukunft sein.

Wichtigste Grundlage ist in Deutschland das Batteriegesetz (BattG), das festlegt, wer für die Rücknahme der Batterien verantwortlich ist. Die Hersteller von Batteriespeichern sind also gesetzlich verpflichtet, ausgediente Batterien wieder zurückzunehmen.

In der Praxis wird das so aussehen, dass der Installateur die Batterie deinstalliert und dann entweder selbst dem Entsorgungsprozess zuführt oder das über sonnen gemacht wird. Ein Entsorgungspartner ist zum Beispiel das Gemeinsame Rücknahmesystem, kurz GRS. Die meisten Menschen kennen das von den grünen Behältern im Supermarkt, in die man gebrauchte Batterien entsorgen kann.

Speicherbesitzer müssen sich in Deutschland also weder Gedanken machen, auf ausgedienten Akkus sitzen zu bleiben, noch dass die Energiespeicher unsachgemäß entsorgt werden.

​Recycling von Lithium-Ionen-Akkus

Wer sich heute einen Batteriespeicher mit LFP-Akkuzellen (Lithium-Eisenphosphat) und klugem BMS (Batteriemanagementsystem) eines erfahrenen Herstellers zulegt, kann sich relativ sicher sein, dass später der größte Teil der verwendeten Ressourcen wiederverwendet werden kann und damit in einem Kreislauf bleibt. Warum? Weil das Recycling der Akkus eine immer wichtigere Rolle spielt und sich die Technik stark weiterentwickelt hat. Da die LFP-Akkus für eine Lebensdauer im Bereich der stationären Solarbatterie von 15 – 20 Jahre ausgelegt sind, wird das Recycling zu diesem (späteren) Zeitpunkt auf industriellen Standardprozessen basieren, welche den größten Teil der heute verwendeten Rohstoffe wieder nutzbar machen können.

Moderne Anlagen wie etwa von der Redux Recycling GmbH in Bremerhaven können heute schon über 10.000 Tonnen Lithium-Ionen-Akkus pro Jahr recyceln. Die Rückgewinnungsquote erreicht bereits 70 Prozent, d.h. dass 70 Prozent der Ausgangsstoffe wiederverwendet werden können. Auch das belgische Unternehmen Umicore kann rund 7.000 Tonnen Li-Ionen-Batterien im Jahr recyceln. Das entspricht rund 250 Millionen Smartphone-Akkus oder 35.000 Akkus von Elektrofahrzeugen.

Besonders wertvolle Rohstoffe beim Recycling sind z.B. Kupfer und Aluminium, die als Leiter oder Gehäuse von Akkus verwendet werden. Den größten Anteil machen jedoch die so genannten Aktivmaterialien aus, also Anode und Kathode. Je nach Material, kommen hier unterschiedliche Stoffe zur Verwendung. Häufig sind es Kobalt, Mangan oder Nickel. Bei den LFP-Akkus, ist es Eisen.

Und das Lithium? Der Anteil des Lithiums liegt bei ca. 1 – 1,5 % des Gewichts eines Akkus, macht also nur einen sehr geringen Teil der verwendeten Materialien aus. Aufgrund dieser kleinen Menge war es bisher schlicht zu unwirtschaftlich, das Lithium zu recyceln. Aufgrund der immer höheren Nachfrage ändert sich das gerade, so dass es immer sinnvoller wird, das Lithium wieder zurückzugewinnen. Technisch ist das mittlerweile möglich, das zeigen zahlreiche Projekte wie EcoBatRec oder NEW-BAT. Umicore kann es nach eigenen Angaben bereits heute schon in einem industriellen Prozess extrahieren.

Eine entscheidende Rolle wird hier die Automobil-Industrie spielen, bei der  weitaus größere Mengen gebrauchter Akkus anfallen, die aber eine deutlich kürzere Lebensdauer als Heim-Batteriespeicher haben. Da in den nächsten Jahren allein dadurch immer größere Mengen gebrauchte Lithium-Ionen-Akkus anfallen, werden auch automatisch die Prozesse wirtschaftlicher, wodurch auch die Rückgewinnungsquoten konstant steigen.

Konsequenter Verzicht auf Kobalt & Seltene Erden

Stellt sich noch die Frage, wie nachhaltig die verwendeten Materialien von Lithium-Ionen-Akkus heute sind. Ein Rohstoff wird dabei besonders kontrovers diskutiert: Kobalt. Das Metall steckt in den meisten Akkus von Smartphones, Notebooks oder Elektroautos, da es deren Energiedichte erhöht. Rund zwei Drittel der jährlichen Produktion stammen jedoch aus dem Kongo. Begriffe wie Kinderarbeit, Sklaverei und massive Umweltzerstörung werden immer wieder in diesem Zusammenhang genannt.

Auch wenn Kobalt in unserer Welt tatsächlich unverzichtbar ist, kann man trotzdem seinen Einsatz minimieren. Aus unserer Sicht ist es für einen Heim-Batteriespeicher nicht so wichtig, dass er eine möglichst hohe Energiedichte erreicht. Sicherheit, Langlebigkeit und ökologische Nachhaltigkeit sind für uns wichtiger. LFP-Akkus (Lithium-Eisenphosphat) enthalten daher kein Kobalt und unterscheiden sich damit positiv von den meisten anderen Akku-Typen am Markt. Sogenannte Seltene Erden finden Sie in Lithium-Ionen-Batterien, die wir zum Kauf empfehlen, ebenfalls nicht.

​125 Gramm Lithium versus 1,2 Tonnen Kohle

Aber auch der Abbau von Lithium ist in der Vergangenheit immer wieder thematisiert worden, z.B. was den hohen Wasserverbrauch in trockenen Ländern wie Chile betrifft.

Wie weiter oben bereits beschrieben, macht Lithium den kleinsten Teil der Rohstoffe in einem Akku aus, nämlich nur 1 – 1,5 Prozent. Es ist zwar unverzichtbar, allerdings werden nur geringe Mengen benötigt.

Wird Lithium in Akkus für einen Batteriespeicher oder für ein Elektroauto verwendet, ersetzt es jedoch auch andere Rohstoffe. Ein Haushalt kann sich mit einer PV-Anlage und einem Batteriespeicher überwiegend mit selbst erzeugtem Solarstrom versorgen. Der Akku sorgt also dafür, dass weniger Kohle, Uran, Öl oder Gas für die Energiegewinnung benötigt wird und dass die Abhängigkeit von diesen Brennstoffen geringer wird. Der Abbau all dieser Rohstoffe sorgt für gewaltige Umweltschäden, ihre Nutzung befeuert den Klimawandel. Und sie sind Auslöser für zahlreiche bewaffnete Konflikte.

Die Frage ist jetzt: Verschiebt sich mit einer eigenen Energieversorgung aus PV-Anlage + Batteriespeicher das Problem nur von der einen in die andere Tasche? Spare ich auf der einen Seite zwar Rohstoffe, die auf der anderen Seite aber woanders wieder hergenommen werden?

Und jetzt kommt der entscheidende Punkt: Im Gegensatz zur Nutzung von Solarstrom, bei denen Ressourcen für einen bestimmten Zeitraum nur einmal benötigt werden, müssen Brennstoffe wie Kohle oder Öl ununterbrochen zur Verfügung stehen. Die Fördermengen und die damit verbundenen Eingriffe in die Natur und Klima sind also um ein Vielfaches höher, als beim Silizium für Solarzellen oder beim Lithium für Batteriespeicher.

Dazu eine vereinfachte Rechnung: Ein gängiges LFP-Batteriemodul (Lithium-Eisenphosphat) einer stationären Solarbatterie wiegt ca. 25 kg und hat eine Kapazität von 2 Kilowattstunden (kWh). Bei einem Gewichtsanteil von 1 % stecken also rund 250 g Lithium in diesem Modul. Für eine Kilowattstunde Speichervermögen sind somit rund 125 g Lithium notwendig. Durchschnittlich werden die Heim-Batteriespeicher beim klassischen solaren Eigenverbrauch bis zu 250 Mal im Jahr voll be- und entladen. Für 250 kWh gespeicherten Solarstrom sind also 125 g Lithium notwendig. Für die gleiche Menge konventionell erzeugten Strom braucht es rund 30 kg Steinkohle im Jahr! Rechnet man das auf 10.000 Ladezyklen eines LFP-Batteriemoduls hoch, wären das 1,2 Tonnen Steinkohle, die in der Zeit gefördert werden müssten. Theoretisch braucht es also nur 0,01 Prozent der Menge Lithium, um dieselbe Menge Energie mit Kohle zu nutzen.

In dieser Rechnung nicht enthalten sind die weiteren Schritte wie der Transport von Steinkohle etwa aus Kolumbien nach Deutschland, der schlechte Wirkungsgrad der Kraftwerke oder die gesundheitlichen Auswirkungen bei der Verbrennung von Kohle.

Mit der steigenden Recyclingquote für Lithium oder andere Batterierohstoffe wird diese Rechnung noch ungünstiger für die konventionellen Energieträger.

Lithium selbst ist entgegen weitverbreiteter Annahmen auch zu Genüge auf der Erde vorhanden. Selbst aus dem Meereswasser ließe es sich gewinnen. Größter Lithiumproduzent ist heute Australien. Durch die steigende Nachfrage werden aber auch Förderstätten interessant, die früher nicht bekannt oder schlicht nicht attraktiv genug waren. So soll ab 2019 zum Beispiel Lithium auch im Erzgebirge abgebaut werden.

​Öko-/Energie-Bilanz von Lithium-Ionen-Batteriespeichern innerhalb des ersten Jahres positiv

Aus Sicht der sauberen Nachhaltigkeit stellt sich zum Schluss noch eine Frage: Wie lange braucht ein Heim-Batteriespeicher eigentlich, um den Energieverbrauch seiner Produktion wieder auszugleichen? Hier zeigt eine Studie der Professoren Pettinger und Dong, dass sich ein Lithium-Ionen-Speicher schon nach rund 8 Monaten seines Einsatzes im Eigenheim ökologisch amortisiert.

​Nachhaltig sauberer Ansatz

Wir alle sollten uns unserer Verantwortung für eine nachhaltig saubere Energieversorgung bewusst sein und viele Schritte unternehmen, um nicht nur die Energiewelt zu verändern, sondern auch so ressourcenschonend wie möglich vorzugehen. Der konsequente Verzicht auf Kobalt oder Nickel sind ein Teil davon. Aber auch die besonders langlebige LFP-Batterietechnologie (Lithium-Eisenphosphat). Dafür müssen nicht nur weniger Ressourcen verbraucht werden, sondern sie gibt der Industrie auch Zeit, die existierenden Recycling-Prozesse weiterzuentwickeln und damit den Anteil der nochmal nutzbaren Rohstoffe zu erhöhen. Aufgrund der Ökobilanz und der Vermeidung von fossilen Brennstoffen lohnt sich ein Invest in eine eigene Energieversorgung mit einem Batteriespeicher bereits heute für die Menschen, die Umwelt und das Klima.