Mit dem zunehmenden Hochlauf der Elektromobilität gewinnt auch das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien erheblich an Bedeutung. Steigende Batteriemengen, volatile Rohstoffmärkte, regulatorische Anforderungen und ambitionierte Dekarbonisierungsziele stellen Industrie und Forschung dabei vor die Herausforderung, verschiedene Recyclingverfahren unter unterschiedlichen technischen und wirtschaftlichen Bedingungen sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich zu bewerten.

Um unterschiedliche Recyclingkonzepte systematisch miteinander vergleichen zu können, haben die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB und der Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen gemeinsam mit Partnern aus der Industrie einen modularen Lebenszyklus-Ansatz zur Bewertung von Batterierecyclingprozessen entwickelt.

Vergleichbarkeit durch modulare Struktur 

Eine besondere Herausforderung bei der Bewertung von Batterierecyclingverfahren liegt darin, dass die verschiedenen Verfahren unterschiedliche Prozessstrukturen, Energiebedarfe, Rückgewinnungsraten und Kosten aufweisen. Zudem beeinflussen Entscheidungen in frühen Prozessschritten die Materialqualität, die Rückgewinnung und den Aufwand in nachgelagerten Stufen.

Das »Modular Lifecycle Tool« betrachtet die einzelnen Technologien daher nicht isoliert, sondern bildet die vollständige Recyclingkette nach einem Baukastenprinzip ab. Die Prozesskette wird zunächst in die Bereiche Vorbereitung und Vorbehandlung des Recyclingmaterials sowie Rückgewinnung von Materialien gegliedert. Innerhalb dieser Bereiche werden Funktionen, Prozessschritte und konkrete Technologien unterschieden.

»Die modulare Struktur ermöglicht es uns, unterschiedliche Technologien innerhalb derselben Prozesslogik miteinander zu vergleichen«, erläutert Lucca Groß, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl »Production Engineering of E-Mobility Components (PEM)« der RWTH Aachen. »So kann beispielsweise der Prozessschritt Zerkleinerung durch verschiedene Schreddertechnologien umgesetzt werden. Die verschiedenen Technologien lassen sich im Modell gezielt austauschen, sodass unmittelbar sichtbar wird, wie sich eine technologische Veränderung auf die gesamte Recyclingkette auswirkt.«

Kosten, Materialströme und Emissionen in einem Modell

Das Herzstück des Ansatzes ist eine Datenbank einzelner Prozessschritte. Anwender können den Eingangsstrom einer Recyclingkette unter anderem hinsichtlich Durchsatz und Materialzusammensetzung konfigurieren und anschließend individuelle Prozessketten zusammenstellen. Das Modell verfolgt die Materialströme über die gesamte Recyclingkette und verknüpft sie mit wirtschaftlichen und ökologischen Kennzahlen. Berücksichtigt werden unter anderem Energiebedarf und damit verbundene Emissionen, Verbrauchs- und Hilfsstoffe, Betriebsausgaben, investitionsbezogene Kosten, Erlöse aus zurückgewonnenen Materialien sowie Entsorgungskosten. Auch standortspezifische Faktoren wie Strommix und Arbeitskosten sowie Auslastungs- und Skaleneffekte können in die Betrachtung einfließen.

Damit entsteht keine statische Kostentabelle, sondern eine dynamische Bewertungsumgebung für die wirtschaftliche Gesamtbilanz. Verändern sich beispielsweise die Trennleistung, der Durchsatz oder die Verwertungsintensität, werden die Auswirkungen auf nachgelagerte Materialströme, Kosten, Erlöse und Emissionen sichtbar.

Grundlage für Investitions- und Technologieentscheidungen

»Mit dem Tool wollen wir unterschiedliche Recyclingkonzepte auf einer gemeinsamen Grundlage vergleichbar machen und damit eine belastbare Basis für technologische und strategische Entscheidungen schaffen. So unterstützt das Tool Recyclingunternehmen bei der Optimierung bestehender Prozesse, Technologieanbieter bei der Einordnung neuer Lösungen und Batteriehersteller beim Vergleich unterschiedlicher Recyclingstrategien«, sagt Benedikt Gruber, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fraunhofer FFB.

Mögliche Anwendungen sind unter anderem:

• Vergleich alternativer Recyclingkonzepte unter einheitlichen Systemgrenzen  
• Identifizierung von Kosten- und Emissions-Hotspots entlang der Prozesskette
• Bewertung von Skalierungsstrategien und Szenarien für den industriellen Hochlauf
• Bewertung standortspezifischer Rahmenbedingungen, einschließlich der Energieversorgung
• Sensitivitätsanalyse wichtiger technischer und wirtschaftlicher Parameter

Perspektivisch kann der Bewertungsrahmen um weitere Batteriechemien, stärker regional differenzierte Datensätze und zukünftige regulatorische Szenarien ergänzt werden.