Akku4Future Diagnostik - Recycling - Refreshing - 2nd Life von Alt- Akkus. (Acronym: Akku4Future 2 nd life) Teilbericht im Rahmen von AP6

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1 Akku4Future Diagnostik - Recycling - Refreshing - 2nd Life von Alt- Akkus (Acronym: Akku4Future 2 nd life) Teilbericht im Rahmen von AP6

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3 Akku4Future Diagnostik - Recycling - Refreshing - 2nd Life von Alt- Akkus (Acronym: Akku4Future 2 nd life) Teilbericht im Rahmen von AP6 Richard Obernosterer Lisa Brauneis Hans Daxbeck Andreas Karitnig Stefan Neumayer Im Auftrag der Fachhochschule Kärnten Wien, Juli 2014

4 Projektleitung: Richard Obernosterer Projektsachbearbeitung: Lisa Brauneis Hans Daxbeck Andreas Karitnig Stefan Neumayer Für den Inhalt verantwortlich: Ressourcen Management Agentur GmbH (RMA) Europastraße Villach Tel.: +43 (0)4242/ Fax: +43 (0)4242/ office@rma.at;

5 Kurzfassung Kurzfassung Lithium-Ionen-Batterien finden sich heutzutage vor allem in Mobiltelefonen (2015 in Ö: 98 Tonnen), Notebooks (2015 in Ö: 510 Tonnen) und elektrisch betriebenen Werkzeugen (2015 in Ö: 67 Tonnen), aber auch in Spielekonsolen, Camcorders, elektrischen Zahnbürsten und vielen anderen elektrisch betriebenen Geräten des Alltags. Während das Aufkommen an NiCd- und NiMH-Batterien stagniert, boomen Lithium-Ionen-Batterien im Elektrobereich. Vor allem die Lithium-Akkumulatoren in der Automobilbranche erfahren in Zukunft einen starken Aufwärtstrend. Es wird prognostiziert, dass das Altbatterieaufkommen aus der Elektro-Automobilbranche bis zum Jahr 2030 um jährlich 20 % bis 40 % anwachsen wird. Im Jahr 2020 wird das Aufkommen von Altbatterien aus der E-Mobilität auf 570 Tonnen und im Jahr 2030 auf Tonnen. Von Blei-Akkumulatoren wurden in Österreich 2012 rund Tonnen in Verkehr gesetzt, davon Tonnen Starterbatterien, der Rest Traktions- und Industriebatterien. Die Sammelquote beläuft sich auf etwas über 50 %. Basierend auf dem Kfz-Bestand in Österreich kann das Lager (Bestand) an Starterbatterien in Österreich auf etwa Tonnen geschätzt werden (Bandbreite: ca t). Aus der Bestandsentwicklung an Kfz in Österreich kann eine jährliche Zunahme des Batterielagers um etwa Tonnen abgeschätzt werden. Für Blei-Akkus werden Geräte am Markt angeboten, welche durch hochfrequente Stromimpulse die, sich besonders bei langsamer und tiefer Entladung bildenden Sulfatkristalle wieder auflösen. Durch diese Desulfatisierung kann die Lebensdauer der Akkus verlängert und nicht mehr funktionstüchtige Akkus reaktiviert werden. Alle anderen Alterungserscheinungen - vor allem die Zerstörung der Bleielektroden - sind irreversibel und können nicht behoben werden. Traktionsbatterien können zu einem hohen Prozentsatz (rd. 90 %) regeneriert werden und werden auch als wiederaufbereitete Zellen am Markt angeboten. Bei Starterbatterien ist die Regenerationsrate wesentliche geringer. Die Alterungsprozesse bei Lithium-Akkus sind irreversibel und beruhen auf chemischen und physikalischen Reaktionen zwischen den verbauten Materialien. Hohe und tiefe Temperaturen (> 40 C, < 0 C) und extreme Betriebszustände fördern den Alterungsprozess. Es gibt keine Technologien welche die Alterungsprozesse rückgängig machen. Kleine Akkupacks (Mobiltelefone, Laptop udgl.) verfügen über ein integriertes Batteriemanagementsystem. Schäden in dieser Elektronik sind oft für die Unbrauchbarkeit des Akkupacks verantwortlich. Spezielle Ladegeräte überwinden die Sperre durch das Batteriemanagementsystem bei Tiefentladenen Akkus. Zum Thema Elektromobilität gibt es zumindest in den USA und in Deutschland längerfristig angelegte Forschungsprogramme in Kooperation mit Automobilherstellern, in denen unterschiedliche Fragestellungen rund um Energiespeicher vor allem Lithium-Ionen-Akkus untersucht werden. In den nächsten Jahren wird mit einem starken Ansteigen der Projekt Akku4Future - 2nd Life Seite V

6 Kurzfassung Menge an großen Akkupacks aus E-Mobilen gerechnet. In Deutschland forscht man an der Entwicklung eines Recyclingverfahrens im industriellen Maßstab, das eine fast vollständige Wiedergewinnung des Lithiums aus den gebrauchten Akkus ermöglicht. Besonders in den USA wird das Thema gebrauchte Lithium-Akkus aus dem Bereich der E- Mobilität in anderen Anwendungsgebieten weiter zu verwenden ( Second Use ) seit längerem intensiv diskutiert und beforscht. Als Anwendungen kommen größere, stationäre Anlagen in Frage, wie Backupsysteme in der Telekommunikation, Speicher für Photovoltaikanlagen, Absicherungssysteme gegen Netzausfall und Speicher im Versorgungsnetz zur Abpufferung von Bedarfsspitzen und zur besseren Integration von dezentralen, kleineren Stromeinspeisern. Geschäftsmodelle, die Second Use von Akkus von E-Mobilen aufgreifen, sind noch nicht bekannt. Von Seiten der E-Mobil-Erzeuger bzw. Besitzer ist eine Weiterverwendung attraktiv, weil durch den Wert der gebrauchten Akkus sich die Kosten für die Neuanschaffung reduzieren. Hindernisse in der technischen Umsetzung sind die unbekannte Restlebensdauer der gealterten Akkus, die große Vielfalt an Bauweisen und Charakteristika der einzelnen Zellen die das Zusammenbauen größerer Speicher erschwert und die Entwicklung von individuell abgestimmten Batteriemanagementsystemen notwendig macht. Konkurrent bei den stationären Anwendungen sind die wesentlich billigeren Speicherlösungen mit Blei-Akkus, da diese Technologie ausreichend erprobt ist und der Platzbedarf und das Gewicht der Speicher nur eine untergeordnete Rolle spielt. Erkannter Forschungsbedarf Auf Grundlage der recherchierten Studien und Unterlagen wird ein Forschungs- bzw. Untersuchungsbedarf in den folgenden Bereichen identifiziert: Quantifizierung des Batterielagers (-bestandes) in Österreich nach Menge und Zusammensetzung Zeitliche Entwicklung des Batterielagers in Österreich und Prognose der zukünftigen Entwicklung Verbesserungen im Bereich der Materialien zur Reduktion der Alterung der Li-Akkus Untersuchungen, Modellierungen zum Langzeitalterungsverhalten von Li-Akkus für die Beurteilung der Möglichkeiten einer Weiterverwendung in stationären Anwendungen Bau und Betrieb von Energiespeichern aus gebrauchten Akkus aus dem Bereich der E- Mobilität Nutzung von vernetzten dezentralen Energiespeichern im Stromnetz für den Lastausgleich und zur Integration von dezentralen Kleinkraftwerken Projekt Akku4Future - 2nd Life Seite VI

7 Kurzfassung Projekt Akku4Future - 2nd Life Seite VII

8 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis KURZFASSUNG... V INHALTSVERZEICHNIS... VIII 1 EINLEITUNG AUFGABENBEREICH RECYCLING-REFRESHING-2ND LIFE VON ALT- AKKUS Methodisches Vorgehen Theoretische Grundlagen Aufbau und Funktionsweise Blei-Akkumulatoren Lithium-Ionen-Akkumulatoren Stoffliche Verwertung von Altbatterien/-Akkus Verwertungsverfahren Gesetzliche Regelungen EU/Österreich Weiter- und Wiederverwendung Resultate Ist-Stand-Mengenerhebung Marktanalyse - Akkumulatoren nach Einsatz Marktanalyse - Akkumulatoren nach Typen Produktion von Akkumulatoren Stoffliche Verwertung in Österreich Vergleich Import/Export und Akku-Bestand (Lager) in Österreich Bleiakkumulatoren Starterbatterien Traktionsbatterien und Industriebatterien Entwicklung zum Aufkommen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren Neue Verwertungsverfahren für Lithium-Akkus Refreshing und Second Use Refreshing Second Use von Li-Akkus Zusammenfassung Projekt Akku4Future 2nd Life Seite viii

9 Inhaltsverzeichnis Mengenentwicklung Energiespeicher Refreshing von Blei-Akkus Refreshing von Lithium-Akkus Erkannter Forschungsbedarf AUFGABENBEREICH BATTERIEDIAGNOSTIK Ziel und Inhalt Methodisches Vorgehen Resultate LITERATUR ANHANG 1 - AUSWERTUNGSSCHEMA Projekt Akku4Future 2nd Life Seite ix

10 Einleitung 1 Einleitung Die vorliegende Studie wurde von der Fachhochschule Kärnten im Rahmen des Projektes Akku4Future (Leistungen aus dem AP 6 des Projektantrages der Fachhochschule Kärnten im Projekt Entwicklung eines Zustandsdiagnosesystems für das aktive Recycling zukünftiger Akkupacks im Rahmen des Interreg IV Österreich Projektes Akku4Future) in Auftrag gegeben Im Aufgabenbereich Recycling - Refreshing - 2nd Life von Alt-Akkus wird ein Überblick über gegenwärtige Methoden und Technologien zum Recycling - Refreshing - 2nd Life von Alt-Akkus gegeben und eine grobe Mengenabschätzung dargestellt. Eine Grundlage für die Wiederverwendung von gebrauchten Akkumulatoren, ist die Diagnose des Zustandes des Akkus. Aufgrund dieser Diagnose kann die Beurteilung der Eignung zu einer Weiterverwendung oder Wiederverwendung des Akkus oder der Zuteilung zu einem möglichst hochwertigen Recycling erfolgen. Im Aufgabenbereich Batteriediagnostik wird eine Übersicht über am europäischen Markt befindliche Batterie-Diagnosegeräte für Lithiumbasierte Akkutechnologien gegeben. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 1

11 Methodisches Vorgehen 2 Aufgabenbereich Recycling-Refreshing-2nd Life von Alt-Akkus 2.1 Methodisches Vorgehen Zu Beginn werden die Systemgrenzen definiert. Es wird festgelegt, dass sich die Recherche auf Blei-Akkumulatoren und Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingrenzt. Außerdem wird die Recherche für die Länder Österreich und Italien sowie auch für die gesamte EU durchgeführt. Der Schwerpunkt der Recherche liegt in der Darstellung von Mengenströmen sowie in der Forschung und Entwicklung von Akkumulatoren. Die Recherche ist jene Methode, die für die Verfassung dieses Berichts als erste Anwendung findet. Dabei verschaffen sich die Autoren einen Überblick über die zu behandelnde Materie. Für den Inhalt dieses Berichtes werden vor allem Informationsquellen aus Fachbibliotheken und Quellen aus dem Internet (z.b. Electronic Journal Collections) recherchiert und ausgewertet. Fallweise werden Telefonate und s mit Experten geführt. Auch werden eigene Berechnungen zur Ermittlung der Mengenströme von Akkumulatoren durchgeführt. Dazu werden statistische Quellen aus dem Internet recherchiert. Vorhandene Zahlen aus Deutschland und der Schweiz werden mit Hilfe der Einwohnerzahlen der Länder auf österreichische Verhältnisse hochgerechnet. Das abgeschätzte Akkumulatoren-Lager, also der Bestand an Akkumulatoren für Österreich wird mit Hilfe von Import- und Exportzahlen bzw. von Bestandszahlen berechnet und graphisch aufbereitet. Alle im Bericht recherchierten Informationen werden so gewissenhaft wie möglich ausgewählt. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 2

12 Theoretische Grundlagen 2.2 Theoretische Grundlagen Betrachtet werden ausschließlich Li-Ionen-Akkumulatoren und Blei Akkumulatoren (= wiederaufladbare Einheiten; Sekundärbatterie-Systeme), keine Batterien. In diesem Kapitel werden der Aufbau und die Funktionsweise beider Batterietypen erläutert. Außerdem wird die stoffliche Verwertung bzw. die Weiter- und Wiederverwendung der Akkumulatoren beschrieben Aufbau und Funktionsweise Primärbatterie-Systeme haben den Nachteil, dass die in ihr stattgefundene Reaktion nicht wieder umkehrbar ist. Bei Akkumulatoren, auch Sekundärelemente genannt, können die für die Stromerzeugung genutzten Reaktionen wieder rückgängig gemacht werden. Die elektrische Energie wird gespeichert und in Form von chemischer Energie, die bei der Entladung wieder in elektrische Energie umgewandelt wird, abgegeben [Metzsch, 2011]. In Kapitel werden der Aufbau sowie die Funktionsweise und die Lebensdauer von Blei- Akkumulatoren und von Lithium-Ionen-Akkumulatoren dargestellt. Zusätzlich werden charakteristische Größen wie z.b. die Energiedichte und die Ladezyklen erläutert. Außerdem werden auch die Hauptanwendungsgebiete der unterschiedlichen Akkumulator-Typen beschrieben Blei-Akkumulatoren Charakteristik Ein Blei-Akkumulator ist ein Akkumulator, bei dem beide Elektroden im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid bestehen und dessen Elektrolyt konzentrierte Schwefelsäure ist. Der Blei-Akkumulator hat keinen Memory-Effekt, kann also unabhängig vom Entladestadium immer wieder aufgeladen werden. Es wird zwischen offenen und geschlossenen Zellen unterschieden. Bei offenen Zellen ist das Nachfüllen von Wasser möglich, z.b. bei Starterbatterien oder Notstromanlagen. Verschlossene (gasdichte), wartungsfreie Zellen enthalten ein Überdruckventil, welches erhöhten Betriebsdrücken standhält. Der Elektrolyt wird dabei entweder in einem Gelkissen eingelagert oder in ein Vlies eingebunden. Blei-Akkumulatoren mit der Vlies-Technologie nehmen mittlerweile die bedeutendere Marktstellung ein [GRS Batterien, 2007]. Eine weitere Unterscheidung erfolgt in deep cycle batteries (Traktionsbatterien) und starter batteries (Autobatterien). Eine Traktionsbatterie ist ein Blei-Akkumulator, der darauf optimiert wurde regelmäßig mit einem großen Teil seiner Kapazität tiefentladen werden zu können. Im Gegensatz dazu schaffen die Starterbatterien bzw. Autobatterien hohe Leistungen in kurzer Zeit und entladen jedoch nur einen kleinen Teil ihrer Kapazität [Wikipedia, 2014b]. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 3

13 Theoretische Grundlagen Aufbau Blei-Akkumulatoren bestehen aus einzelnen galvanischen Zellen, wobei jede Zelle für sich eine Spannung von 2 Volt besitzt. Meistens werden drei oder auch sechs solcher Zellen hintereinander geschaltet. um 6 Volt oder 12 Volt Gesamtspannung zu erreichen. Eine Einzelzelle besteht aus einer Bleigitterelektrode, die mit fein verteiltem metallischen Blei und einer Bleigitterelektrode, die mit Blei-(IV)-oxid befüllt ist. Zwischen den Platten sind Trennwände, die so genannten Separatoren. Die Elektroden tauchen in 20 bis 40% Schwefelsäure [Wiedmann, s.a.]. Abbildung 2-1: Aufbau eines Blei-Akkumulators (Starterbatterie) [Metzsch, 2011] Funktionsweise Die an der Reaktion beteiligten Partner sind: - Positive Platte: PbO 2 (Bleidioxid) - Negative Platte: Pb (Blei) - Elektrolyt: H 2SO 4 (verdünnte Schwefelsäure) Die chemische Reaktion, welche während des Ladens und Entladens abläuft ist: Pb+PbO 2+2H 2SO 4 2 PbSO H 2O Während der Entladung (Reaktion von links nach rechts) wird das aktive Material Blei der negativen Elektrode und das aktive Material der positiven Elektrode Bleidioxid in Bleisulfat umgewandelt. Die Schwefelsäure ist dabei an der Reaktion beteiligt und wird in Form von negativen Sulfationen und positiv geladenen Wasserstoffionen zur Bildung des Bleisulfats und des Wassers benötigt. Während der Ladung (Reaktion von rechts nach links) laufen diese Prozesse in umgekehrter Richtung ab. Die Tatsache, dass der Elektrolyt des Blei-Akkumulators an der Reaktion beteiligt ist, stellt eine Besonderheit dieses Akkumulatortyps dar. Bei allen anderen elektrochemischen Spei- Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 4

14 Theoretische Grundlagen cherelementen ist der Elektrolyt jeweils passiv, das heißt, er leitet die Ionen, welche für die chemische Reaktion nötig sind, ist aber ansonsten nicht an den Elektrodenreaktionen beteiligt [GNB Industrial Power, 2012]. Durchschnittliche charakteristische Größen [Heinemann, 2006] - Lebensdauer der Zelle: 500 bis 1500 Zyklen (4 Jahre) - Lebensdauer des Moduls: 300 bis 500 Zyklen (2-4 Jahre) - Energiedichte: 35 Wh/kg bzw. 100 Wh/l - Betriebstemperatur: 0 bis 55 Grad - Wirkungsgrad: % - Selbstentladung: 1-15 % pro Monat Alterung Das Laden und Entladen ist theoretisch unbegrenzt wiederholbar. Praktisch ist dies jedoch nicht möglich, weil unter anderem die Raumbeanspruchung von Bleisulfat größer ist, als die von Bleioxid oder Blei. Dadurch lockert sich im Laufe des Betriebes die aktive Masse immer mehr auf und verliert allmählich an Festigkeit. Masseteilchen der Platten brechen aus und nehmen nicht mehr am aktiven Batterieleben teil. Diese Bleiteilchen füllen als Bleischlamm den Schlammraum am Boden des Akkus. Ist so viel Blei zu Boden gesunken, dass der Schlamm die Plattenunterkante berührt, kommt es zum Kurzschluss [Wiedmann, s.a.]. Neben der Plattenkorrosion, dem Gitterwachstum und der Bildung von Bleischlamm verringert die Bildung von Sulfatkristallen (Sulfatierung) die Leistung. Zur Sulfatierung kommt es, wenn der Akku über längere Zeit nicht geladen und langsam entladen wird (stehender PKW). Für die Zerstörung der Sulfatkristalle werden von verschiedenen Anbietern hochfrequent pulsierende Ladegeräte angeboten. Einsatzgebiet Blei-Akkumulatoren werden überall dort eingesetzt, wo eine hohe Strombelastbarkeit erforderlich ist. Dabei muss beachtet werden, dass bei Blei-Akkumulatoren ein sehr hohes Gewicht haben. Sie sind deshalb nur bedingt für den mobilen Einsatz geeignet. [Elektronik- Kompendium.de, 2014a]. Stationäre Anwendung: [Wikipedia, 2014a] Stationäre Blei-Akkumulatoren werden vor allem als Pufferbatterien eingesetzt. Pufferbatterien unterstützen/ersetzen bei Ausfall die Stromversorgung. Beispiele sind: - Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) z.b. Notstromversorgung in Krankenhäusern, Alarmanlagen - zentrale Stromversorgungssysteme für Notbeleuchtung - Solarbatterien in Photovoltaikanlagen (Inselanlagen) Zunehmend werden die Blei-Akkumulatoren durch Lithium-Ionen-Akkumulatoren ersetzt. Der derzeit höhere Anschaffungspreis wird meist durch die höhere Leistungsfähigkeit ausgeglichen. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 5

15 Theoretische Grundlagen Mobile Anwendung: Blei-Akkumulatoren werden in der mobilen Anwendung als Starterbatterien oder als Traktionsbatterien eingesetzt. Starterbatterien liefern kurzzeitig Strom zum Starten des Verbrennungsmotors mittels Anlasser. Sie liefern Strom beim Ausfall der Lichtmaschine und bei stehendem Motor. [Wikipedia, 2014a] Traktionsbatterien liefern bei E-Fahrzeugen den Strom für den Antrieb der Elektromotoren. Anwendungsbeispiele sind: - Starterbatterien für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor - elektrische Gabelstapler - elektrische Rollstühle - Golf und Servicewagen - ältere/preiswertere Elektrofahrräder - ältere/preiswertere Elektroroller - U-Boote Lithium-Ionen-Akkumulatoren Charakteristik Heute kommen Lithium-Ionen-Akkumulatoren zur Anwendung, wenn hohe Energiedichten benötigt werden. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien enthalten kein metallisches Lithium. Der Ladungstransport zwischen den Elektroden erfolgt durch Lithium-Ionen [GRS Batterien, 2007]. Der Begriff Lithium-Ionen-Akkumulator ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf Lithium-Basis. Beispiele für Ausführungsformen sind: - Lithium-Polymer-Akkumulator - Lithiumtitanat-Akkumulator - Lithium-Mangan-Akkumulator - Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator - Lithium-Luft-Akkumulator [Wikipedia, 2014c] Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben keinen, vom Ladezyklus abhängigen, Memory- oder Lazy-Battery-Effekt. Allerdings verlieren sie durch Alterung ab der Produktion an Leistung (kalendarische Alterung). Die meisten Hersteller empfehlen in Bezug auf die Lagerung eine 40%-Ladung in kühler Umgebung [GRS Batterien, 2007]. Aufbau Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer Graphit-Elektrode (negativ) und einer Lithium- Metalloxyd-Elektrode (positiv). Das Lithium-Metalloxyd kann Mangan, Nickel oder Kobalt sein. Die Zusammensetzung hat Einfluss auf die Eigenschaften des Lithium-Ionen- Akkumulators und ist je nach Hersteller und Güteklasse unterschiedlich. Die Nennspannung hängt vom Elektrodenmaterial ab und liegt bei 3,6 oder 3,7 Volt. Lithium ist das leichteste Metall und reagiert stark mit Wasser. Deshalb kommt als Elektrolyt ein wasserfreies, aber brennbares Lösungsmittel zur Anwendung. Die Elektroden werden durch einen so genannten Separator getrennt, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu verhindern. Der Separator ist für die Lithium-Ionen durchlässig. Die Kathode wirkt wie eine Art Schwamm. So kann eine große Anzahl von Ionen aufgenommen werden. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 6

16 Theoretische Grundlagen Abbildung 2-2: Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkumulators [GRS Batterien, 2007] Funktionsweise Li-Ion Batterien sind physikalisch aus drei Komponenten zusammengesetzt, der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und dem Separator. Grundsätzlich bewegt sich in der Batterie während eines äußeren Stromflusses ein Li-Ion von einer Platte zur anderen. Die Anode enthält Verbindungen, die während des Ladens Ionen abgeben und während des Entladens Ionen aufnehmen. Umgekehrt verhält es sich bei der positiven Platte. (siehe Abbildung 2-3) Die einzelnen Hersteller von Lithium-Ionen Batterien haben unterschiedliche Zusammensetzungen der chemischen Elektrodenverbindungen entwickelt mit der Zielsetzung der Erhöhung der Energiedichte und der Senkung der Kosten. Diese unterschiedlichen chemischen Verbindungen weisen auch unterschiedliche Gleichgewichtspotenziale auf, so dass bei Li-Ion Batterien von keiner einheitlichen Spannungslage gesprochen werden kann. Auch die Lade- und Entladecharakteristik wird von der Zusammensetzung der Elektroden geprägt. Die positive Elektrode besteht zumeist aus Lithium-Manganoxid, Lithium-Kobaltoxid oder Lithium- Nickeloxid. Graphit oder amorphes Karbon (CoO2) sind dagegen die Hauptbestandteile der negativen Elektrode [Heinemann, 2006]. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 7

17 Theoretische Grundlagen Abbildung 2-3: Schema eines Li-Ionen Akkus [Elektronik-Kompendium.de, 2014b] Die ablaufende Reaktion ist wie folgt: LiCoO 2 + C Li 1-x CoO 2 + Li xc [GRS Batterien, 2007] Die Ladeschlussspannung muss bei Li-Ion Batterien extrem genau eingehalten werden. Mehrere 10 mv über der vom Hersteller vorgegebenen Ladeschlußspannung von in der Regel 4,2 V können die Zelle bereits schädigen (Beschädigung, reduzierte Kapazität, verkürzte Lebensdauer) oder gar zur Explosion bringen. Li-Ion ist auch im Entladeprozeß weniger tolerant als zum Beispiel NiMH. Tiefentladungen unterhalb der end-of-discharge Spannung von ca. 2,7 V führen zu irreversiblen chemischen Prozessen, die zu Kapazitätsminderungen und einer Herabsetzung der Zyklenlebensdauer führen. Auf die daraus erwachsenen Anforderungen muss das Batteriemanagementsystem angepasst werden [Heinemann, 2006]. Durchschnittliche, charakteristische Größen [Heinemann, 2006] - Lebensdauer der Zelle/des Moduls: > 600 Zyklen - Energiedichte: 149 Wh/kg bzw. 313 Wh/l - Betriebstemperatur: -10 bis 55 Grad - Wirkungsgrad: k.a. - Selbstentladung: k.a. Die Energiedichte wird hauptsächlich durch das Kathodenmaterial bestimmt. Gängig ist zurzeit vor allem Kobaltoxid, das für Werte von bis zu 180 Wattstunden pro Kilogramm geeignet ist. Mit Lithium-Nickel-Cobalt (LiNiCo) lassen sich auch Energiedichten bis 240 Wh/kg erreichen. Diese Akkumulatoren besitzen von allen wiederaufladbaren Systemen die höchste Energiedichte und können daher am meisten Energie bezogen auf ein bestimmtes Volumen oder Gewicht abgeben. Wie auch bei anderen Sekundärsystemen hängt die Zyklendauer von der Anwendung ab. Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ist im Durchschnitt Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 8

18 Theoretische Grundlagen etwa das Doppelte einer Standard-Nickel-Cadmium-Batterie. Zudem gibt es noch Potential für höhere Energiedichten [GRS Batterien, 2007]. Alterung Obwohl bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren kein Memory- und Lazy-Battery-Effekt auftritt, ist deren Lebensdauer begrenzt. Sie altern auch dann, wenn sie nicht benutzt werden. Ursache dafür sind vielfältige irreversible Reaktionen zwischen den Bestandteilen der Zellen, die zu einer Leistungsminderung führen [Vetter et al., 2005]. Dies sind unter anderem: Oxidation bzw. Reduktion des Elektrolyten Auslösung von Aktivmaterial sich bildende Deckschichten (SEI) mechanische Belastungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Materialien (z.b. Ablösung der Kathodenschicht vom Aluminiumableiter) Einbau von Lithium in die Graphit-Anode Bildung von metallischen Lithium an der Oberfläche der Graphit-Anode (Lithium- Plating) Abbildung 2-4 gibt einen graphischen Überblick über die Alterungsprozesse. Die Alterungsreaktionen werden vor allem durch hohe und tiefe Temperaturen (Klima, bei Ladung/Entladung) beschleunigt. Abbildung 2-4: Überblick über Mechanismen, die zur Alterung von Li-Ionen Akkus beitragen (Quelle [Birkl, 2014]; SEI: solid electrolyte interphase) Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 9

19 Theoretische Grundlagen Als für die vorgesehene Verwendung unbrauchbar wird ein Akku dann angesehen, wenn er nur mehr über 80 % seiner ursprünglichen Kapazität verfügt. Nach Ablauf dieser spezifizierten Lebensdauer ist der Akkumulator jedoch keineswegs unbrauchbar, sondern hat lediglich einen definierten Prozentsatz seiner Kapazität verloren, so dass der Hersteller eine Neuanschaffung empfiehlt [elektronikinfo.de, 2014]. Einsatzgebiet Haupteinsatzgebiete sind die Telekommunikation und tragbare Computer. Als Industriebatterie finden Lithium-Ionen-Systeme ihren Einsatz in Hybridfahrzeugen oder in Fahrzeugen mit neuen Bordnetzen [GRS Batterien, 2007]. Anwendungsgebiete sind vor allem: - Tragbare Geräte: o Mobiltelefone o Digitalkameras o Camcorder o Notebooks o Handheld-Konsolen o Taschenlampen - Elektromobilität o Pedelecs (Elektrofahrräder) o Elektroautos o moderne Elektrorollstühle o Hybridfahrzeuge - Remote Controlled-Modellbau (Auto-, Flugzeug-, Hubschrauber oder Schiffsmodelle) - Elektrowerkzeuge (z.b. Akkuschrauber, Gartengeräte) [Wikipedia, 2014c] Aufgrund der hohen Energiedichte können sich Lithium-Ionen Akkus bei unsachgemäßer Handhabung (Kurzschluss) stark erhitzen und sogar entzünden. Weiters ist Lithium ein hochreaktives Metall und manche verbauten Elektrolyte leicht brennbar. Daher gibt es auf nationaler und internationaler Ebene Vorschriften und Normen für den Test, den Transport, die Lagerung und die Entsorgung von Lithium-Akkus Stoffliche Verwertung von Altbatterien/-Akkus Die Akkumulatoren und Batterien werden in Hochtemperatur-Öfen eingeschmolzen und metallurgisch in ihre verschiedenen Bestandteile getrennt. Das funktioniert mit jeder Form von Batterien und Akkus. Mit Zink-Kohle-Batterien, Alkali-Mangan-Batterien, Nickel-Cadmium- Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus ebenso wie mit den heute weit verbreiteten Lithium- Manganoxid-Batterien, Lithium-Polymer-Akkus und den Lithium-Ionen-Akkus. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 10

20 Theoretische Grundlagen Verwertungsverfahren Rund 90% der zurückgegebenen Batterien werden einem metallurgischem Recycling zugeführt, wodurch vor allem Eisenwerkstoffe zurückgewonnen werden [GRS Batterien, 2012]. Im Folgenden werden die Verwertungsverfahren speziell für Blei-Akkumulatoren sowie für Lithium-Ionen-Akkumulatoren beschrieben Verwertung von Blei-Akkumulatoren Die verbrauchten Blei-Akkumulatoren (wie z.b. Starterbatterien für die Automobilindustrie sowie Industriebatterien wie Staplerbatterien oder Akkumulatoren, die u.a. zur Notstromversorgung verwendet werden) werden komplett mit Säure in ein säuredichtes, überdachtes Lager angeliefert. Bei der anschließenden Aufbereitung erfolgt in einem Brecher die sortenreine Trennung in die Fraktionen Bleigitter und Bleipaste, Kunststoffe (Polyethylen, Zellulose), Gehäusematerial sowie Schwefelsäure. Die anfallende Bleipaste wird mit Natronlauge entschwefelt. Hierbei entstehen Bleioxid und Natriumsulfat, so dass in der anschließenden Verhüttung Schwefeldioxidemissionen vermindert werden. Bei der Verhüttung werden Bleigitter und die entschwefelte Bleipaste in Kurztrommelöfen eingeschmolzen und mit Hilfe von Zuschlagsstoffen wird eine niedrigschmelzende deponierbare Silikatschlacke erzeugt. Die weitere Verarbeitung des an den Öfen produzierten Rohbleis erfolgt in der Raffination. In der Raffinerie wird das Rohblei in Kesseln wiederum geschmolzen und die unerwünschten Begleitelemente entfernt. Durch gezielte Zugaben entstehen spezifische Bleilegierungen. Das fertig legierte Blei wird zu Barren gegossen [ERA-GmbH, 2014]. Ein großer Anteil der in Österreich anfallenden Fahrzeugbatterien wird bei der Firma BMG Metall und Recycling GmbH in Arnoldstein (Kärnten) verwertet. Die Fahrzeugbatterien enthalten Blei, das nach dem Recycling wieder in neuen Fahrzeugbatterien verwendet werden kann [elektro-ade.at, 2014]. In der Abbildung 2-5 sind der Input und der Output des Verfahrens der Firma BMG Metall und Recycling GmbH dargestellt. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 11

21 Theoretische Grundlagen Abbildung 2-5: Blei-Säure-Batterie Recyclingprozess der Firma BMG Metall und Recycling GmbH [BMG, 2014] Die Schwefelsäure wird zu Natriumsulfat verarbeitet. Dieses wird für die Produktion von Waschmittel und Glas verwendet. Das Gehäusematerial aus Polypropylen wird gemahlen und in einem weiteren Schritt dem Kunststoff-Recycling zugeführt. Die Kunststoff- Restfraktion gelangt in die thermische Verwertung. Das recycelte Blei wird für neue Fahrzeugbatterien oder andere Blei-Anwendungen verwendet [elektro-ade.at, 2014] Verwertung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren Die bisherigen Verwertungsmethoden konzentrieren sich vorwiegend auf die Rückgewinnung der Wertmetalle Nickel und Kobalt aus Kleinbatterien. Bei den derzeitigen Verfahren werden zumeist die kompletten Batteriezellen mechanisch oder thermisch aufgeschlossen, um die Wertmetalle danach in Kombinationen pyro- und hydrometallurgischer Verfahren wiederzugewinnen. Die Batteriezellen bzw. deren Inhaltsstoffe werden bei einem pyrometallurgischen Verfahren in einem Ofen bei sehr hohen Temperaturen erhitzt, so dass die enthaltenen Metalle schmelzen und sich trennen lassen. Bei einem hydrometallurgischen Verfahren werden die vorher abgetrennten Aktivmaterialien der Batteriezellen mit Lauge behandelt und die Metalle so herausgelöst. Der Fokus liegt hierbei aber nicht auf der Verwertung von Lithium- Sekundärbatterien und der Rückgewinnung von Lithium [Hanisch, 2014]. Das Projekt Lithorec I verfolgt den Ansatz des Recyclings mit hoher Lithium- Rückgewinnung. Das Projekt hat die Wiedergewinnung von NE-Metallen, vor allem von Lithium, aus Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Ziel. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 12

22 Theoretische Grundlagen Im Projekt Lithorec II wird dieses Verfahren derzeit mit Hilfe einer Pilotanlage getestet. Es wird die Praxistauglichkeit und Anwendbarkeit des gesamten Prozesses von der Demontage der Batterie aus der E-Mobilität bis hin zur Aktivmaterialsynthese in der Pilotanlage getestet (siehe Abbildung 2-6). Abbildung 2-6: Verfahrensschritte beim Lithium-Batterie-Recycling [Steinbild, 2012] Demontage Die Autobatterie muss zu Beginn des Verfahrens in die Module und Einzelzellen zerlegt werden. Eine vollautomatische Demontage ist bei den am Markt befindlichen Batterien schwierig. Dies liegt an den unterschiedlichen Bauformen und internen Strukturen der Batterien. Die manuelle Demontage wiederum ist als unwirtschaftlich und sicherheitskritisch anzusehen. Ein erfolgversprechender Ansatz ist ein von der TU Braunschweig entwickeltes so genanntes hybrides Demontagesystem mit einem Roboter in Verbindung mit manuellen Tätigkeiten [Steinbild, 2012]. Entladung Daraufhin werden die Zellen entladen, um etwaige Kurzschlüsse und folglich der Gefahr einer Entzündung vorzubeugen. Zerkleinerung und Elektrolytrückgewinnung Im Anschluss werden die Batteriezellen mechanisch aufgeschlossen. Dies erfolgt durch Zerkleinerungsprozesse mit Hilfe eines Shredders. Die Einzelteile werden in einem nächsten Schritt in Fraktionen für die weiteren aufbereitungstechnischen Verfahren aufgeteilt. Die Fraktionen sind: - Zellhülle/Gehäusematerial (10-15%) - Elektrolyt (10-20%) - weitere Bauteile (2-5%) - Separator/Folien (ca. 3%) Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 13

23 Theoretische Grundlagen - Elektroden (ca. 65%) Der flüssige Elektrolyt wird für die weiteren Recyclingschritte abgetrennt. Da der Elektrolyt sehr hochwertig ist, wird derzeit noch ein Rückgewinnungs- und Aufarbeitungsverfahren entwickelt [Steinbild, 2012]. Mechanische Aufbereitung Danach werden die Verbünde der Anoden und Kathoden für die darauf folgende hydrometallurgische Aufbereitung voneinander getrennt. Sie bestehen zu 15 % aus Kupferfolie und zu 31 % aus der organischen Beschichtung der Anode (Graphite und Ruße) sowie zu 8 % aus der Aluminiumfolie und zu 46 % aus der Aktivmaterial-Beschichtung der Kathode. Für die die Elektrodenseparation wurden zwei unterschiedliche Prozesse (alternativ oder kombiniert) entwickelt, zum einen ein nasschemischer Prozess (96 % des Aktivmaterials kann separiert werden) und zum anderen ein mechanischer Prozess (99 % des Aktivmaterials kann separiert werden) [Hanisch, 2014]. Hydrometallurgie Anschließend erfolgt die hydrometallurgische Aufbereitung der separierten Beschichtungspulver aus Lithium-Ionen-Batterien. Bei dem Verfahren können je nach Aktivmaterial 85 % - 95 % des Lithiums aus dem separierten Kathodenmaterial zurückgewonnen werden. Die Lithium-Ausbeute ist deutlich höher, als bei den klassischen pyrometallurgischen Verfahren [Hanisch, 2014]. In der unten angeführten Graphik (Abbildung 2-7) ist das Schema der Lithium-Rückgewinnung dargestellt [Kwade, 2012]. Abbildung 2-7: Schema hydrometallurgisches Lithium-Recycling von Autobatterien aus der E-Mobilität; UM = Übergangsmetalle [Kwade, 2012] Bei der Rückgewinnung von Lithium handelt es sich primär um Extraktionsprozesse mit starken Säuren. Die lithiumhaltigen Extrakte werden in reines und für Batterien direkt wiederver- Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 14

24 Theoretische Grundlagen wendungsfähiges Lithiumhydroxid (LiOH) umgewandelt und gereinigt. Dieses kann bei Bedarf auch in Lithiumcarbonat überführt werden. Das Verfahren verbindet chemische Trennund Reinigungsverfahren sowie ein elektrochemisches Membranverfahren bzw. die so genannte Elektrodialyse. Dieses Material kann vor allem für die Synthese von Lithiumleitsalzen sowie von Kathodenmaterial verwendet werden. Derzeit steht zur hydrometallurgischen Aufbereitung der separierten Beschichtungspulver aus Lithium-Ionen-Batterien in Langelsheim (Deutschland) eine Pilotanlage der Firma Rockwood Lithium GmbH) [Kwade, 2012]. Aktivmaterialsynthese Die so genannten Übergangsmetalle Kobalt, Nickel sowie Mangan werden als Lösungen aufkonzentriert und durch Fällungs-, Mahl- und Kalzinierprozesse wieder Batterieaktivmaterialien hergestellt. Die untersuchten Verfahren zeigten im Labormaßstab sowohl in ökologischer als auch in ökonomischer Hinsicht positive Ergebnisse [Hanisch, 2014] Gesetzliche Regelungen EU/Österreich Rechtlich ist die Sammlung und Verwertung von Batterien in der EU-Batterierichtlinie [RL 2006/66/EG, 2008] geregelt. Sie schreibt für die EU-Mitgliedsstaaten das Recycling aller Batterien und Akkumulatoren vor. In Österreich wurden die Bestimmungen der EU-Richtlinie durch die österreichische Batterienverordnung [BGBl. II Nr. 159/2008, 2008] umgesetzt. Die Verordnung betrifft alle Typen von Batterien und Akkumulatoren, unabhängig von Form, Gewicht oder Verwendung, lose oder eingebaut. Dazu gehören Industriebatterien, Fahrzeugbatterien sowie alle Arten von Gerätebatterien und akkumulatoren, darunter auch Handy- und Notebook-Akkumulatoren sowie Knopfzellen in PCs oder Uhren [UFH, 2014]. Die wichtigsten Bestimmungen der Batterienverordnung sind [UFH, 2014]: 1. Der Erstinverkehrsetzer, d.h. jede Person mit Sitz in Österreich (Hersteller, Importeur), der Batterien erstmals in Österreich gewerblich in Verkehr bringt, ist zur Rücknahme verpflichtet. 2. Bei Geräte- und Fahrzeugbatterien ist die Teilnahme an einem Sammel- und Verwertungssystem verpflichtend. Weiters wurde durch die EU Kommission eine Verordnung für die Angabe der Kapazität auf sekundären (wiederaufladbaren) Gerätebatterien sowie auf Fahrzeugbatterien erlassen [VO 1103/2010, 2010]. Diese Verordnung gilt unmittelbar, d.h. eine gesonderte Umsetzung in den Mitgliedstaaten ist nicht erforderlich. In der Abfallbehandlungspflichtenverordnung [BGBl. II Nr. 459/2004 idf BGBl. II Nr. 363/2006, 2004] werden die wesentlichen Vorgaben bei der Lagerung und Behandlung der verschiedenen Batterienarten getrennt nach deren Zusammensetzung festgelegt. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 15

25 Theoretische Grundlagen Weiter- und Wiederverwendung Das österreichische Abfallwirtschaftsgesetz [BGBl. I Nr. 102/2002, 2002] und die EU Abfallrahmenrichtlinie [RL 2008/98/EG, 2008] sehen in der 5-stufigen Abfallhierarchie, vor der sonstigen Verwertung oder der Beseitigung, die Vorbereitung zur Wiederverwendung und das Recycling 1 vor. Grundlage für eine Wiederverwendung von gebrauchten Akkumulatoren, die für ihren ursprünglichen Einsatzzweck nicht mehr die ausreichende Leistung erbringen, ist die Diagnose und Beurteilung der verbliebenen Leistungsfähigkeit des Akkus. Aufgrund dieser Diagnose kann die Beurteilung der Eignung zu einer Weiterverwendung, die Festlegung der notwendigen Arbeiten im Rahmen der Vorbereitung zur Wiederverwendung des Akkus als Ganzes oder einzelner Komponenten oder der Zuteilung zu einem möglichst hochwertigen Recycling erfolgen. 1 Recycling: jedes Verwertungsverfahren, durch das Abfallmaterialien zu Erzeugnissen, Materialien oder Stoffen entweder für den ursprünglichen Zweck oder für andere Zwecke aufbereitet werden. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 16

26 Resultate 2.3 Resultate In diesem Kapitel werden die Resultate der Recherche und Berechnungen, bezogen auf die Marktanalyse von Akkumulatoren in Österreich, Italien und der EU dargestellt. Dabei wird der Status Quo der Mengenströme von Akkumulatoren zusammengefasst. Weiters werden Entwicklungen und Forschungsfelder im Bereich Refreshing bei Blei- und Lithium-Akkus beleuchtet. In vielen in diesem Bericht zitierten Studien, wird der Begriff Batterie synonym für den Begriff Akkumulator verwendet. In der englischen Sprache bedeutet der Begriff Akkumulator rechargeable battery, also wiederaufladbare Batterie Ist-Stand-Mengenerhebung In Kapitel werden die Mengenströme von Blei- und Li-Ionen-Akkumulatoren in Österreich und der EU dargestellt. Im Detail wird die Massenbilanz (Import, Export, Recycling) für Österreich abgeschätzt. So kann in weiterer Folge das Blei- und Lithium-Ionen- Akkumulatoren-Lager in Österreich abgeschätzt werden. Auch wird die Veränderung der Anteile der verschiedenen Typen von Akkumulatoren in den letzten Jahren dargestellt. Die Datengrundlage zur Erarbeitung dieses Kapitels ist schwach. Spezifische Aufzeichnungen für die zwei Akku-Typen Blei-Akkumulatoren sowie Lithium-Ionen- Akkumulatoren gibt es für Österreich nicht. Deshalb wurden Daten aus der Schweiz sowie Deutschland herangezogen und diese für Österreich hochgerechnet. Auch die Abschätzung des Akku-Lagers in Österreich (Import, Export, Produktion, Bestand) gestaltete sich schwierig. Eine zukünftige spezifischere Datensammlung für Österreich im Bereich Akkumulatoren wäre deshalb empfehlenswert, um in Zukunft detailliertere Aussagen treffen zu können Marktanalyse - Akkumulatoren nach Einsatz Li-Ionen-Akkumulatoren werden vor allem für Mobiltelefonie, Notebooks und elektrisches Werkzeug benutzt. Weitere Einsatzgebiete sind z.b. bei Kameras und bei Antrieben im Modellbau. Näher eingegangen wird im Folgenden auf die drei Einsatzgebiete Mobiltelefone, Notebooks und elektrische Werkzeuge. Es werden Zahlen aus dem Jahr 2009 vorgestellt und anhand der Entwicklungen der letzten Jahre eine Prognose für das Jahr 2015 gegeben. Da die Studie aus dem Jahr 2010 ist, stellen die Jahre 2010 bis 2015 Prognosejahre dar [Avicenne Developpement, 2010]. Neuere Marktzahlen bzw. Studien, die eine Prognose über die zukünftige Entwicklung des gesamten Lithium-Ionen-Akkumulator-Marktes abgeben, konnten nicht ausfindig gemacht werden. In Kapitel wird eine Abschätzung für das zukünftige Aufkommen von Lithium-Ionen-Alt-Akkumulatoren in der E-Mobilitätsbranche in Deutschland dargestellt. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 17

27 Resultate Mobiltelefone: Im Jahr 2009 wurden in 100 % der Mobiltelefone Li-Ionen-Akkumulatoren verwendet. Im Durchschnitt werden 1,02 Akku-Packs pro Gerät verwendet. In einem Akku-Pack findet sich zumeist 1 Li-Ionen-Zelle. Das durchschnittliche Gewicht einer Zelle liegt bei 22 Gramm [Avicenne Developpement, 2010]. Tabelle 2-1: Menge an Li-Ionen-Zellen für Mobiltelefone 2009 und Stück in Mio. Tonnen Stück in Mio. Tonnen Österreich Italien Europa Notebooks: Im Jahr 2009 wurden in 99 % der Notebooks Li-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt. Im Durchschnitt werden 1,04 Akku-Packs pro Gerät verwendet. In einem Akku-Pack finden sich im Durchschnitt 5,8 Li-Ionen-Zellen. Für 2015 wird prognostiziert, dass sich die Anzahl der Zellen pro Akku-Pack verringern wird, und zwar von durchschnittlich 5,8 (2009) auf 5,5 Zellen pro Pack. Das durchschnittliche Gewicht einer Zelle liegt bei 48 Gramm [Avicenne Developpement, 2010]. Tabelle 2-2: Menge an Li-Ionen-Zellen für Notebooks 2009 und Stück in Mio. Tonnen Stück in Mio. Tonnen Österreich Italien Europa Elektrische Werkzeuge: Im Jahr 2009 wurden in 31% der Elektro-Werkzeuge Li-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt. Im Durchschnitt werden 1,94 Akku-Packs pro Gerät verwendet. In einem Akku-Pack finden sich im Durchschnitt 5 Li-Ionen-Zellen. Für 2015 wird prognostiziert, dass sich die Anzahl der Packs pro Gerät verringern wird, und zwar von durchschnittlich 1,94 (2009) auf 1,90 Packs pro Gerät. Das durchschnittliche Gewicht einer Zelle liegt bei 45 Gramm [Avicenne Developpement, 2010]. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 18

28 Resultate Tabelle 2-3: Menge an Li-Ionen-Zellen für Elektrische Werkzeuge 2009 und Stück in Mio. Tonnen Stück in Mio. Tonnen Österreich 0,7 36 1,4 67 Italien 4, ,5 412 Europa Zusätzlich kamen in Summe im Jahr Tonnen an tragbaren, wieder aufladbaren Li-Ionen-Batterien von anderen Anwendungen wie Spielekonsolen, Camcorders, Schnurlostelefonen, Elektrorasierern, elektrischen Zahnbürsten, Elektrischen Reinigungsgeräten, MP3-Playern, tragbare medizinische Geräten und Anderem in Umlauf. Abbildung 2-8 zeigt den Marktanteil einzelner Länder für Li-Ionen-Zellen in anderen Anwendungen. Die Werte der Jahre sind Prognosewerte, da die Studie aus dem Jahr 2010 stammt [Avicenne Developpement, 2010]. Der Bedarf an Li-Ionen-Zellen für Anwendungen wie Spielekonsolen und Camcorders liegt im Jahr 2015 bei 170 Millionen Stück bzw. etwa Tonnen. Im Vergleich zum Jahr 2008 ist dies eine Steigerung von 32 % (in Stück) bzw. 37 % (in Tonnen). Der europäische Markt teilt sich wie folgt auf: Abbildung 2-8: Menge an Li-Ionen-Zellen in Stück und in Gewicht für andere Anwendungen Aufgrund des rasanten Anstiegs an verkauften Elektrogeräten wie Notebooks und Mobiltelefone stieg der Bedarf von Li-Ionen-Akkumulatoren im Jahr 2015 im Vergleich zum Jahr 2009 von t auf über t pro Jahr. Der Bedarf an NiCd- und NiMH-Akkus stagniert. In Abbildung 2-9 ist der Europäische Markt für Akkumulatoren im Jahr 2009 und im Jahr 2015 (Prognose), nach Einsatzbereichen gegliedert, dargestellt [Avicenne Developpement, 2010]. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 19

29 Resultate Abbildung 2-9: Entwicklung des Marktes für Akkumulatoren 2009 und 2015 nach Art der Anwendung (PRB = Portable Rechargeable Battery) Eine weiträumigere Unterteilung nach dem Einsatzgebiet verwendet die Koordinierungsstelle Elektroaltgeräte in Österreich (Zahlen für Italien konnten nicht ermittelt werden.). Es wird zwischen Gerätebatterien, Fahrzeugbatterien und Industriebatterien unterschieden. Im Gesamten wurden im Jahr t an Batterien in Verkehr gesetzt, davon 87 % Fahrzeugbatterien, 0,9 % Industriebatterien und 12 % Gerätebatterien. Eine Unterteilung in die verschiedenen Einsatzbereiche ist in der Tabelle 2-4 ersichtlich. Tabelle 2-4: In Verkehr gesetzte Massen von Batterien/Akkumulatoren in Österreich (in Tonnen) Gerätebatterien [t] Änderung [%] Fahrzeugbatterien [t] Änderung [%] Industriebatterien [t] ,86 +4, Änderung [%] +30,29 Unter Gerätebatterien werden alle gekapselten Batterien verstanden, die problemlos in der Hand gehalten werden können. Darunter fallen z.b. Monozellenbatterien (z.b. Typ AA oder AAA). Sonstige Batterien für Mobiltelefone, Notebooks, schnurlose Elektrowerkzeuge, Spielzeuge und Haushaltsgeräte (z.b. Elektrische Zahnbürste, Rasierer). Es ist zu erwähnen, dass jene Industriebatterien, welche in Elektro- und Elektronikgeräten für private Haushalte in Verwendung stehen, ebenfalls als Gerätebatterien gelten (um deren Sammlung und Finanzierung sicherzustellen). Weiters fallen auch Knopfzellen (z.b. für Hörgeräte, Armbanduhren, kleine tragbare Geräte) in die Kategorie der Gerätebatterien [Lebensministerium, s.a.]. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 20

30 Resultate Fahrzeugbatterien sind Batterien für den Anlasser sowie die Zündung oder die Beleuchtung von Fahrzeugen. Auch Industriebatterien, welche nach Type oder Bauart in Fahrzeugen in Verwendung stehen, gelten als Fahrzeugbatterien [Lebensministerium, s.a.]. Industriebatterien sind beispielsweise Batterien für die Not- oder Reservestromversorgung in Krankenhäusern, Flughäfen oder Büros den Einsatz in Zügen oder Flugzeugen, Offshore-Bohrinseln oder Leuchttürme, die Nutzung für tragbare Inkassogeräte in Geschäften und Restaurants, Strichcodelesegeräte in Geschäften, professionelle Videotechnik für Fernsehsender und Studios, Gruben- und Taucherlampen an Helmen von Bergleuten und Berufstauchern, Sicherheitssysteme von elektrisch betätigten Türen, mit denen das Blockieren der Türe oder das Einklemmen von Personen verhindert werden soll, unterschiedlichste Geräte in der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, die Verwendung bei Solarmodulen sowie weiteren photovoltaischen und sonstigen Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien, Fahrzeuge mit Elektroantrieb, wie Autos, Rollstühle, Fahrräder, Flughafenfahrzeuge und Führerlose Transportsysteme-Fahrzeuge (wie sie z.b. in großen Lagern Verwendung finden) [Lebensministerium, s.a.]. Eine detailliertere Aufgliederung in die verschieden Typen von Akkumulatoren kann nicht vorgenommen werden. Die für die oben genannten Zahlen zuständige Stelle (Elektroaltgeräte Koordinierungsstelle) wurde kontaktiert, jedoch konnten auch durch die persönliche Kontaktaufnahme keine weiteren Zahlen generiert werden. Laut [Grinschgl, 2014] der Firma Saubermacher AG gibt es keine Aufzeichnungen über die Differenzierung nach Art der Batterien bzw. Art der Akkumulatoren. Es werden die Gerätebatterien (keine Blei- Akkumulatoren) nach den verschiedenen Batterie- und Akkumulatortypen wie diese in den Verwertungsanlagen benötigt werden, sortiert Marktanalyse - Akkumulatoren nach Typen Werden Akkumulatoren nach den Typen betrachtet, so ist in der Abbildung 2-10 ersichtlich, dass die Menge der Li-Ionen-Akkumulatoren von Jahr zu Jahr stetig ansteigt. Laut Avicenne (2010) weist der Markt der Li-Ionen-Akkumulatoren eine Wachstumsrate von etwa 9% pro Jahr auf. Die Menge anderer Akkumulator-Typen wie NiMH-Akkumulatoren oder NiCd- Akkumulatoren steigen nur leicht bzw. fallen sogar [Avicenne Developpement, 2010]. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 21

31 Resultate Abbildung 2-10: Prognose der Mengen von Akkumulatoren in Europa nach Type; (CAGR = Compound Annual Growth Rate) Werden die aufgezeichneten Absatzzahlen (verkauften Mengen) von Lithium- Haushaltsbatterien (nicht wieder aufladbar) des Batterieverbands Schweiz herangezogen und mit der Einwohnerzahl Österreichs (8,5 Mill. in Österreich, 8,2 Mill. in der Schweiz) in Beziehung gesetzt, so können folgende Absatzzahlen für Österreich abgeschätzt werden [Batterieverband Schweiz, ]. Für die verkaufte Menge an Lithium-Haushaltsbatterien (nicht wieder aufladbar) in Österreich, gemessen in Tonnen, konnten Werte für die Jahre 2000 bis 2011 generiert werden (Abbildung 2-11). Zuletzt, im Jahr 2010 und 2011, stiegen die verkauften Mengen deutlich an [Bundesamt für Umwelt, 2011]. Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 22

32 Resultate Abbildung 2-11: Abschätzung der Absätze von Lithium-Haushaltsbatterien in Österreich (in Tonnen) (Datenbasis Schweiz) Für die verkaufte Stückanzahl an Lithium-Haushaltsbatterien (nicht wieder aufladbar) in Österreich konnten Werte für die Jahre 2006 bis 2011 generiert werden (Abbildung 2-12). Abbildung 2-12: Abschätzung der Absätze von Lithium-Haushaltsbatterien in Österreich (in Stück) (Datenbasis Schweiz) Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 23

33 Resultate Der Bedarf von Lithium-Haushaltsbatterien (nicht wieder aufladbar) steigt in Österreich stetig an. Insgesamt wurden im Jahr 2011 knapp Stück Lithium-Haushaltsbatterien mehr verkauft als im Jahr Produktion von Akkumulatoren Die Recherche von Produktionsstandorten von Akkumulatoren in Österreich und Italien erfolgte aufgrund der Angaben auf folgenden Internetseiten: 1. [basytec.de, 2014] 2. [wlw.at, 2014] 3. [enfsolar.com, 2014] Österreich Die Recherche von Akkumulator-Herstellern in Österreich ergab, dass es bloß einen Hersteller von Akkumulatoren/Batterien in Österreich gibt. Das Unternehmen Banner Batterien Österreich GmbH hat seinen Sitz in Linz (Oberösterreich) und produziert vor allem Starterbatterien (Blei-Akkumulatoren). Das Unternehmen Banner Batterien GmbH setzt jährlich etwa Stück Starterbatterien ab. 90 % davon werden exportiert. In Österreich verbleiben jährlich somit Stück an Starterbatterien der Firma Banner GmbH [Banner GmbH, 2014]. Lithium-Batterien werden in Österreich keine produziert Italien Für Italien konnten neun Hersteller für Akkumulatoren/Batterien recherchiert werden. Diese sind: 1. Fiamm 2. IBC International Battery Company 3. Midac Batteries 4. Accu Italia 5. FAAM 6. Zucchetti Centro Sistemi 7. NBA 8. NEC 9. SEACC Accumulatori Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 24

34 Resultate Stoffliche Verwertung in Österreich Im Jahr 2012 wurden insgesamt Tonnen an Altbatterien gesammelt. 88 % davon sind Fahrzeugbatterien, 0,10 % Industriebatterien und etwa 12 % Gerätebatterien. Wird die in Verkehr gesetzte Menge ( Tonnen) und die gesammelte Menge (16.065) im Jahr 2012 miteinander verglichen, so beläuft sich die Sammelquote im Jahr 2012 auf 53 % [EAK, 2012]. Tabelle 2-5: Gesamtsammelmassen in Tonnen von Alt-Batterien in Österreich Gerätebatterien [t] Änderung [%] Fahrzeugbatterien [t] Änderung [%] Industriebatterien [t] Änderung [%] , , , In Österreich sind insgesamt fünf Sammel- und Verwertungssysteme im Bereich der Altbatterien genehmigt [EAK, 2012]. Tabelle 2-6: Sammel- und Verwertungssysteme für Altbatterien und -akkumulatoren in Österreich Sammel- und Verwertungssystem Gerätebatterien Fahrzeugbatterien Industriebatterien Elektro Recycling Austria GmbH X X X European Recycling Platform Österreich GmbH X X X Interseroh Austria GmbH X X X Umweltforum Haushalt Elektroaltgeräte System GmbH X X Umweltforum Starterbatterien X Das UFS (Umweltforum Starterbatterien) ist mit 90 % Marktanteil Marktführer unter den Sammel- und Verwertungssystemen für Fahrzeug-Altbatterien. Das Unternehmen sammelte innerhalb von 15 Jahren etwa 13 Mio Stück Starterbatterien pro Jahr. Die darin enthaltenen t Blei wurden zu 99 % recycelt und für die Produktion von neuen Fahrzeug-Batterien verwendet. Innerhalb eines Jahres werden somit im Durchschnitt etwa Stück Starterbatterien gesammelt und verwertet [UFS, 2014]. Der größte Teil der in Österreich anfallenden Fahrzeugbatterien wird bei der Firma BMG Metall und Recycling GmbH in Arnoldstein bei Kärnten verwertet. Die Fahrzeugbatterien enthalten Blei, das nach einem entsprechenden Recycling wieder in neue Fahrzeugbatterien eingesetzt werden kann [EAK, 2014]. Etwa 80 % der in Österreich gesammelten Gerätebatterien sind Primärbatterien, also nicht wiederaufladbare Batterien. Diese Batterien werden hauptsächlich in einer Recyclinganlage der Fernwärme Wien verwertet. Der Rest, also 20 % sind Sekundärbatterien, welche wiederaufladbar sind, darunter auch Li-Ionen Akkumulatoren. Die Sekundärbatterien und Lithium- Projekt Akku4Future 2nd Life Seite 25